KR20130003585A - 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

부하에 부하 전류를 공급하는 연료 전지 시스템은 복수의 단위 셀을 포함하는 연료 전지 스택, 상기 연료 전지 스택의 온도를 측정하는 온도 측정부, 상기 복수의 단위 셀 각각의 전압을 측정하는 셀 전압 측정부, 및 상기 연료 전지 스택의 온도가 영하일 때, 상기 복수의 단위 셀 각각의 단위 셀 전압을 모니터링하여 최소 단위 셀 전압을 검출하고, 상기 검출된 최소 단위 셀 전압이 소정의 임계 전압으로 유지되도록 상기 부하 전류를 제어하는 제어부를 포함한다. 영하의 온도 환경에서 연료 전지 시스템이 정상적으로 구동될 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 구동 방법{FUEL CELL SYSTEM AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 영하의 저온 환경에서 구동 가능한 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.
연료 전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH)를 개질(reforming)하여 생성된 수소가 다량 함유된 연료를 사용한다.
이하, 설명의 편의를 위하여 이러한 연료 전지 중 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC; Polymer Electrode Membrane Fuel Cell)를 중심으로 설명한다. 고분자 전해질형 연료 전지는 출력 밀도 및 에너지 전환 효율이 높고 80 ℃ 이하의 낮은 온도에서 작동 가능하며, 소형화, 밀폐화가 가능하여 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신 장비, 군사용 장비, 의료기기 등 매우 다양한 분야의 전원으로 사용되고 있다.
영하의 온도 환경에서 연료 전지 스택을 구동할 경우, 전기화학 반응이 이루어지는 MEA(Membrane Electrode Assembly)에서 반응이 원활하게 이루어지지 않아 충분한 전기와 열을 생산하지 못하게 된다. 충분한 전기와 열을 생산하지 못하는 상태에서 지속적으로 영하의 온도 환경에 노출될 경우 전기를 더 이상 생산하지 못하는 상태에 이르게 된다. 전기화학 반응은 전기를 발생시키는 동시에 열과 물을 발생시킨다. 영하의 온도 환경에서 발생된 물은 얼음이 되고, 이 얼음은 전기화학 반응을 방해하게 된다. 또한, 물이 얼음으로 변하면서 부피가 팽창하여 연료 전지의 주요 부품, 특히 MEA가 손상될 수 있다. 고분자 전해질형 연료 전지의 경우 물은 양성자를 전도시키는 중요한 역할을 하는데, 물 대신 얼음만이 존재하게 되면 양성자가 전도될 수 없는 상태, 즉 전기를 발생시킬 수 없는 상태가 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 영하의 온도 환경에서 구동 가능한 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부하에 부하 전류를 공급하는 연료 전지 시스템은 복수의 단위 셀을 포함하는 연료 전지 스택, 상기 연료 전지 스택의 온도를 측정하는 온도 측정부, 상기 복수의 단위 셀 각각의 전압을 측정하는 셀 전압 측정부, 및 상기 연료 전지 스택의 온도가 영하일 때, 상기 복수의 단위 셀 각각의 단위 셀 전압을 모니터링하여 최소 단위 셀 전압을 검출하고, 상기 검출된 최소 단위 셀 전압이 소정의 임계 전압으로 유지되도록 상기 부하 전류를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 임계 전압은 영하의 온도 환경에서 상기 연료 전지 스택의 발열을 최대한 유도할 수 있는 0V보다 높은 전압일 수 있다.
상기 연료 전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급부, 상기 연료 전지 스택에 산화제를 공급하는 산화제 공급부, 및 상기 연료 및 상기 산화제의 공급량을 조절하고, 상기 복수의 단위 셀의 애노드 전극에 연료와 함께 일정량의 공기를 공급하여 상기 애노드 전극에서의 연소 반응을 증가시키는 공급량 조절부를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 단위 셀의 애노드 전극에는 상기 연료에 포함된 수소의 부피 대비 1~30% 범위 내에서 일정량의 공기가 공급될 수 있다.
상기 제어부는 상기 최소 단위 셀 전압이 상기 임계 전압보다 낮으면 부하에 흐르는 부하 전류를 감소시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 최소 단위 셀 전압이 상기 임계 전압보다 높으면 상기 부하 전류를 증가시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 부하 전류를 단위 전류량만큼 감소 또는 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법은 복수의 단위 셀을 포함하는 연료 전지 스택의 온도를 측정하는 단계, 상기 연료 전지 스택의 온도가 영하이면 상기 연료 전지 스택에 정해진 유량의 연료와 산화제를 공급하는 단계, 상기 복수의 단위 셀 각각의 단위 셀 전압 중 최소 단위 셀 전압을 임계 전압으로 유지시키면서 전류를 생산하는 단계, 및 상기 연료 전지 스택의 온도가 목표 온도에 도달하였는지 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
상기 연료 전지 스택에 정해진 유량의 연료와 산화제를 공급하는 단계는, 상기 복수의 단위 셀의 애노드 전극에 상기 연료와 함께 일정량의 공기를 공급하는 단계, 및 상기 복수의 단위 셀의 캐소드 전극에 상기 산화제를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 단위 셀의 애노드 전극에는 상기 연료에 포함된 수소의 부피 대비 1~30% 범위 내에서 공기가 공급될 수 있다.
상기 임계 전압은 영하의 온도 환경에서 상기 연료 전지 스택의 발열을 최대한 유도할 수 있는 0V보다 높은 전압일 수 있다.
상기 최소 단위 셀 전압을 상기 임계 전압으로 유지시키면서 전류를 생산하는 단계는, 상기 복수의 단위 셀 각각의 단위 셀 전압을 측정하는 단계, 및 상기 최소 단위 셀 전압을 임계 전압과 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 최소 단위 셀 전압이 상기 임계 전압보다 낮으면 부하에 흐르는 부하 전류를 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 부하 전류는 단위 전류량만큼 감소될 수 있다.
상기 최소 단위 셀 전압이 상기 임계 전압보다 높으면 부하에 흐르는 부하 전류를 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 부하 전류는 단위 전류량만큼 증가될 수 있다.
상기 연료 전지 스택의 온도가 목표 온도에 도달하였는지 여부를 판단하는 단계는, 상기 생산되는 전류가 목표 전류에 도달하였는지 여부를 판단하는 단계를 포함하고, 상기 생산되는 전류가 상기 목표 전류에 도달하면 상기 연료 전지 스택의 온도가 목표 온도에 도달하였는지 여부를 판단할 수 있다.
상기 연료 전지 스택의 온도가 목표 온도에 도달하면 정상 모드 구동으로 전환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
영하의 온도 환경에서도 연료 전지 시스템이 정상적으로 구동될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템(100)은 연료를 개질(reforming)하여 수소를 발생시키고, 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다.
다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린, 부탄가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 사용할 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 연료 전지 스택(40)은 단위 셀에서 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.
연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올 또는 천연가스, LPG 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 탄화수소계 연료를 통칭한다. 그리고, 연료 전지 시스템(100)은 수소와 반응하는 산화제로서 별도의 저장 수단에 저장된 산소 가스를 사용하거나 공기를 사용할 수 있다.
연료 전지 시스템(100)은 연료 공급부(10), 산화제 공급부(20), 공급량 조절부(30), 연료 전지 스택(40), 온도 측정부(50), 셀 전압 측정부(60), 부하(70) 및 제어부(80)를 포함한다.
연료 공급부(10)는 연료 전지 스택(40)에 연료를 공급한다. 연료 공급부(10)는 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크 및 소정의 펌핑력으로 연료 탱크에서 액상의 연료를 배출시키는 연료 펌프를 포함할 수 있다.
산화제 공급부(20)는 연료 전지 스택(40)에 산화제를 공급한다. 산화제 공급부(20)는 소정의 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하는 산화제 펌프를 포함할 수 있다.
공급량 조절부(30)는 연료 전지 스택(40)에 공급되는 연료 및 산화제의 공급량을 측정하고 조절한다. 공급량 조절부(30)는 연료 공급부(10)와 연료 전지 스택(40)을 연결하는 연료 공급관에 연결되는 매스 플로우 컨트롤러(mass flow controller)를 이용하여 연료의 공급량을 조절할 수 있다. 공급량 조절부(30)는 산화제 공급부(20)와 연료 전지 스택(40)을 연결하는 산화제 공급관에 연결되는 다른 하나의 매스 플로우 컨트롤러를 이용하여 산화제의 공급량을 조절할 수 있다.
연료 전지 스택(40)은 연료와 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀을 포함한다. 복수의 단위 셀 중 하나의 단위 셀(41)은 연료와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전극 집합체(MEA; Membrane Electrode assembly)(41b) 및 연료와 산화제를 막-전극 집합체(41b)로 공급하기 위한 세퍼레이터(바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)(separator)(41a, 41c)를 포함한다. 단위 셀(41)은 막-전극 집합체(41b)를 중심에 두고 양측에 세퍼레이터(41a, 41c)가 각각 배치된 구조를 갖는다. 막-전극 집합체(41b)는 중앙에 배치된 전해질막과 전해질막의 일측에 배치된 캐소드 전극과 전해질막의 타측에 배치된 애노드 전극을 포함한다. 세퍼레이터(41a, 41c)를 통해 캐소드 전극에는 산화제가 공급되며, 애노드 전극에는 연료가 공급된다. 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 위와 같은 단위 셀(41)이 연속적으로 배치된 연료 전지 스택(40)을 포함한다.
온도 측정부(50)는 연료 전지 스택(40)의 온도를 측정한다. 온도 측정부(50)는 서모커플(thermocouple)을 이용하여 연료 전지 스택(40)의 온도를 측정할 수 있다. 서모커플은 두 종류의 금속을 조합하여 접합 양단의 온도차에 따라 두 금속 사이에 흐르는 전류를 이용하여 온도를 측정한다.
셀 전압 측정부(60)는 복수의 단위 셀 각각의 전압을 측정한다. 단위 셀 각각의 전압을 단위 셀 전압이라 한다. 셀 전압 측정부(60)는 1V 이하의 저전압을 측정할 수 있는 전압 센서를 이용하여 복수의 단위 셀 각각의 전압을 측정할 수 있다.
부하(70)는 연료 전지 스택(40)의 (+) 단자 및 (-) 단자에 전기적으로 연결 설치되고, 연료 전지 스택(40)에서 발생된 전기 에너지를 소비한다. 부하(70)는 자동차의 모터, 직류전기를 교류전기로 변환하는 인버터, 가정용 전열기기 등 다양한 전기기기를 통해 구현될 수 있다.
제어부(80)는 공급량 조절부(30), 연료 전지 스택(40) 및 부하(70)의 동작을 조절한다. 제어부(80)는 공급량 조절부(30)로부터 연료 및 산화제의 공급량 측정 정보를 전달받고, 공급량 조절부(30)로 연료 및 산화제의 공급량 제어 정보를 전달한다. 공급량 조절부(30)는 공급량 제어 정보에 따라 연료 및 산화제의 공급량을 조절할 수 있다. 제어부(80)는 온도 측정부(50)로부터 연료 전지 스택(40)의 온도를 전달받고, 셀 전압 측정부(60)로부터 복수의 단위 셀 각각의 전압을 전달받아 연료 전지 스택(40)의 동작을 조절한다. 제어부(80)는 부하(70)로 출력되는 전력을 측정하고 부하(70)의 구동을 제어하여 출력 전력을 제어한다.
제어부(80)는 연료 전지 스택(40)의 온도가 영상이면 정상 모드(normal mode) 구동을 수행하고, 연료 전지 스택(40)의 온도가 영하이면 정전류 모드(constant current mode) 구동을 수행한다. 정상 모드 구동은 연료 전지 시스템(100)의 일반적인 구동 방식을 의미한다. 정전류 모드 구동은 영하의 온도 환경에서 복수의 단위 셀 각각의 전압을 모니터링하여 최소 단위 셀 전압을 기준으로 전류를 생산하는 구동 방식을 의미한다.
본 발명은 영하의 온도 환경에서 연료 전지 시스템(100)을 정상적으로 구동시키기 위한 것으로, 일반적으로 잘 알려진 정상 모드 구동에 대한 설명은 생략하고 정전류 모드 구동에 대하여 설명한다.
이하, 연료 전지 시스템(100)의 정전류 모드 구동에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 온도 측정부(50)에서 연료 전지 스택(40)의 온도(T)가 측정된다(S110).
제어부(80)는 연료 전지 스택(40)의 온도(T)가 영하인지 여부를 판단한다(S115). 제어부(80)는 연료 전지 스택(40)의 온도가 영상이면 정상 모드 구동을 수행하고, 연료 전지 스택(40)의 온도가 영하이면 정전류 모드 구동을 수행한다. 이하, 연료 전지 스택(40)의 온도가 영하인 것으로 가정한다.
정전류 모드 구동에서, 제어부(80)는 공급량 조절부(30)에 공급량 제어 정보를 전달하여 연료 전지 스택(40)에 정해진 유량의 연료와 산화제가 공급되도록 한다(S120). 연료 전지 스택(40)에 포함된 복수의 단위 셀의 애노드 전극에는 연료가 공급되고, 캐소드 전극에는 산화제가 공급된다. 연료 전지 스택(40)은 연료와 산화제의 산화/환원 반응에 따라 전류를 생산한다. 이때, 공급량 조절부(30)는 복수의 단위 셀의 애노드 전극에 연료와 함께 일정량의 공기가 공급되도록 할 수 있다. 애노드 전극에 공급되는 공기는 연료에 포함된 수소의 부피 대비 1~30% 범위 내에서 공급될 수 있다. 애노드 전극에 연료와 함께 일정량의 공기가 공급되면 애노드 전극에서 연소 반응을 증가시켜 연료 전지 스택(40)의 발열을 유도할 수 있다.
제어부(80)는 부하(70)의 구동을 제어하여 부하(70)에 흐르는 부하 전류를 증가시킨다(S130). 제어부(80)는 단위 전류량만큼 부하 전류를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(80)는 부하 전류를 1A 단위로 단계적으로 증가시킬 수 있다.
셀 전압 측정부(60)는 복수의 셀 단위 셀 각각의 단위 셀 전압을 측정한다(S140). 셀 전압 측정부(60)는 측정된 단위 셀 전압을 제어부(80)에 전달한다.
제어부(80)는 최소 단위 셀 전압(Vcell)이 소정의 임계 전압(Vth) 이상인지 여부를 판단한다(S145). 제어부(80)는 최소 단위 셀 전압(Vcell)이 0V보다 높고 전류가 최대한 생산될 수 있는 전압 범위 내에서 연료 전지 스택(40)을 구동시킨다. 임계 전압(Vth)은 영하의 온도 환경에서 전류가 최대한 생산되어 연료 전지 스택(40)의 발열을 최대한 유도할 수 있는 전압으로써 실험적으로 정해질 수 있다. 최소 단위 셀 전압(Vcell)이 0V보다 낮으면 역전압이 발생하여 캐소드 촉매의 유실을 초래할 수 있으며, 최소 단위 셀 전압(Vcell)이 임계 전압(Vth)보다 높으면 전류의 생산이 줄어들어 연료 전지 스택(40)의 발열이 줄어들 수 있기 때문이다. 예를 들어, 정상 모드 구동시의 단위 셀 전압이 0.45V 이상인 연료 전지 스택(40)에서 정전류 모드 구동시의 임계 전압(Vth)은 0.2V로 정해질 수 있다.
제어부(80)는 최소 단위 셀 전압(Vcell)이 임계 전압(Vth)보다 낮으면 부하 전류를 감소시킨다(S150). 제어부(80)는 부하 전류의 증가시와 동일한 단위 전류량만큼 부하 전류를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(80)는 부하 전류를 1A 단위로 단계적으로 감소시킬 수 있다. 연료 전지 스택(40)에는 정해진 유량의 연료 및 산화제가 공급되어 일정한 전력이 생산되고 있으므로, 부하(70)로 출력되는 부하 전류가 감소되면 복수의 단위 셀 각각의 전압은 높아진다. 결국, 최소 단위 셀 전압(Vcell)도 높아진다.
제어부(80)는 최소 단위 셀 전압(Vcell)이 임계 전압(Vth)보다 높으면 부하 전류가 목표 전류에 도달하였는지 여부를 판단한다(S160). 목표 전류는 연료 전지 스택(40)의 발열을 최대한 유도하는 연료 전지 스택(40)의 출력 전류로써, 연료 전지 스택(40)의 종류나 성능에 따라 실험적으로 정해질 수 있다. 부하 전류가 목표 전류에 도달되지 않은 경우, 제어부(80)는 부하 전류를 증가시키는 단계(S130), 단위 셀 전압을 측정하는 단계(S140), 및 최소 단위 셀 전압(Vcell)과 임계 전압(Vth)을 비교하는 단계(S145)를 반복적으로 수행한다. 이에 따라, 부하 전류가 단위 전류량씩 단계적으로 증가하여 목표 전류에 도달될 수 있다.
즉, 제어부(80)는 최소 단위 셀 전압(Vcell)이 임계 전압(Vth)보다 낮으면 부하 전류를 감소시키고, 최소 단위 셀 전압(Vcell)이 임계 전압(Vth)보다 높으면 부하 전류를 증가시킴으로써, 최소 단위 셀 전압(Vcell)을 임계 전압(Vth)으로 유지시키면서 전류를 생산시킨다. 최소 단위 셀 전압(Vcell)이 임계 전압(Vth)으로 유지됨에 따라 연료 전지 스택(40)의 발열이 최대한으로 유도될 수 있다.
제어부(80)는 부하 전류가 목표 전류에 도달하면 연료 전지 스택(40)의 온도(T)가 소정의 목표 온도에 도달하였는지 여부를 판단한다(S170). 목표 온도는 연료 전지 스택(40)이 정상 모드로 구동될 수 있는 영상의 온도로써 실험적으로 정해질 수 있다. 연료 전지 스택(40)의 온도(T)가 목표 온도에 도달되지 않은 경우, 제어부(80)는 연료 전지 스택(40)의 온도(T)가 목표 온도에 도달할 때까지 연료 전지 스택(40)을 구동시킨다. 이때, 최소 단위 셀 전압(Vcell)이 임계 전압(Vth)을 유지하고 부하 전류가 목표 전류를 유지할 수 있도록, 제어부(80)는 단위 셀 전압을 측정하는 단계(S140), 최소 단위 셀 전압(Vcell)과 임계 전압(Vth)을 비교하는 단계(S145), 부하 전류가 목표 전류에 도달하였는지 여부를 판단하는 단계(S160), 및 연료 전지 스택(40)의 온도(T)가 목표 온도에 도달하였는지 여부를 판단하는 단계(S170)를 주기적으로 수행할 수 있다.
연료 전지 스택(40)의 온도(T)가 목표 온도에 도달하면, 제어부(80)는 정상 모드 구동으로 전환한다(S180).
상술한 바와 같이, 영하의 온도 환경에서 연료 전지 스택(40)을 구동할 때 최소 단위 셀 전압(Vcell)이 임계 전압(Vth)을 유지하도록 부하 전류를 단계적으로 상승시켜 최대한의 전류를 생산할 수 있다. 이에 따라, 연료 전지 스택(40)의 온도(T)를 목표 온도까지 빠르게 높일 수 있고, 연료 전지 스택(40)을 정상 모드로 구동시킬 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 연료 전지 시스템
10 : 연료 공급부
20 : 산화제 공급부
30 : 공급량 조절부
40 : 연료 전지 스택
50 : 온도 측정부
60 : 셀 전압 측정부
70 : 부하
80 : 제어부

Claims (18)

  1. 부하에 부하 전류를 공급하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    복수의 단위 셀을 포함하는 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택의 온도를 측정하는 온도 측정부;
    상기 복수의 단위 셀 각각의 전압을 측정하는 셀 전압 측정부; 및
    상기 연료 전지 스택의 온도가 영하일 때, 상기 복수의 단위 셀 각각의 단위 셀 전압을 모니터링하여 최소 단위 셀 전압을 검출하고, 상기 검출된 최소 단위 셀 전압이 소정의 임계 전압으로 유지되도록 상기 부하 전류를 제어하는 제어부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 임계 전압은 영하의 온도 환경에서 상기 연료 전지 스택의 발열을 최대한 유도할 수 있는 0V보다 높은 전압인 연료 전지 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 연료 전지 스택에 산화제를 공급하는 산화제 공급부; 및
    상기 연료 및 상기 산화제의 공급량을 조절하고, 상기 복수의 단위 셀의 애노드 전극에 연료와 함께 일정량의 공기를 공급하여 상기 애노드 전극에서의 연소 반응을 증가시키는 공급량 조절부를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 복수의 단위 셀의 애노드 전극에는 상기 연료에 포함된 수소의 부피 대비 1~30% 범위 내에서 일정량의 공기가 공급되는 연료 전지 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 최소 단위 셀 전압이 상기 임계 전압보다 낮으면 상기 부하 전류를 감소시키는 연료 전지 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 최소 단위 셀 전압이 상기 임계 전압보다 높으면 상기 부하 전류를 증가시키는 연료 전지 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 부하 전류를 단위 전류량만큼 감소 또는 증가시키는 연료 전지 시스템.
  8. 복수의 단위 셀을 포함하는 연료 전지 스택의 온도를 측정하는 단계;
    상기 연료 전지 스택의 온도가 영하이면 상기 연료 전지 스택에 정해진 유량의 연료와 산화제를 공급하는 단계;
    상기 복수의 단위 셀 각각의 단위 셀 전압 중 최소 단위 셀 전압을 임계 전압으로 유지시키면서 전류를 생산하는 단계; 및
    상기 연료 전지 스택의 온도가 목표 온도에 도달하였는지 여부를 판단하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택에 정해진 유량의 연료와 산화제를 공급하는 단계는,
    상기 복수의 단위 셀의 애노드 전극에 상기 연료와 함께 일정량의 공기를 공급하는 단계; 및
    상기 복수의 단위 셀의 캐소드 전극에 상기 산화제를 공급하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 단위 셀의 애노드 전극에는 상기 연료에 포함된 수소의 부피 대비 1~30% 범위 내에서 공기가 공급되는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 임계 전압은 영하의 온도 환경에서 상기 연료 전지 스택의 발열을 최대한 유도할 수 있는 0V보다 높은 전압인 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 최소 단위 셀 전압을 상기 임계 전압으로 유지시키면서 전류를 생산하는 단계는,
    상기 복수의 단위 셀 각각의 단위 셀 전압을 측정하는 단계; 및
    상기 최소 단위 셀 전압을 임계 전압과 비교하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 최소 단위 셀 전압이 상기 임계 전압보다 낮으면 부하에 흐르는 부하 전류를 감소시키는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 부하 전류는 단위 전류량만큼 감소되는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 최소 단위 셀 전압이 상기 임계 전압보다 높으면 부하에 흐르는 부하 전류를 증가시키는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 부하 전류는 단위 전류량만큼 증가되는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  17. 제8 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택의 온도가 목표 온도에 도달하였는지 여부를 판단하는 단계는,
    상기 생산되는 전류가 목표 전류에 도달하였는지 여부를 판단하는 단계를 포함하고, 상기 생산되는 전류가 상기 목표 전류에 도달하면 상기 연료 전지 스택의 온도가 목표 온도에 도달하였는지 여부를 판단하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  18. 제8 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택의 온도가 목표 온도에 도달하면 정상 모드 구동으로 전환하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
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