KR20130057838A - 연료 전지 시스템 및 그의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템이 개시된다. 개시된 연료 전지 시스템은, ⅰ)단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체로 이루어진 스택과, ⅱ)연료 전지들로 반응기체를 공급하기 위한 반응기체 공급유닛과, ⅲ)연료 전지들의 반응기체 입구 측과 출구 측의 전압을 검출하는 전압 검출부와, ⅳ)반응기체 입구 측과 출구 측의 전압 차를 연산하는 연산부와, ⅴ)반응기체 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우 반응기체 공급유닛을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 및 그의 제어 방법 {FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD OF THE SAME}
본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 연료 전지 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.
알려진 바와 같이 연료 전지 시스템은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로서, 모터 구동의 전동력을 발생시키는 차량에 적용되고 있다.
연료 전지 시스템은 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 수소를 공급하는 수소 공급부, 연료 전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급부, 및 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 구비한다.
이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.
연료 전지 스택은 단위 연료 전지(단위 셀)들이 연속적으로 배열되어 이루어지는데, 각 연료 전지는 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 공기극과 연료극을 배치하여 구성될 수 있다.
상기와 같은 연료 전지 스택에 있어 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지들의 전압은 공기극과 연료극에 대한 수소와 공기의 분압으로 결정될 수 있다.
여기서, 연료 전지들의 공기극과 연료극의 입구로 공급된 수소와 공기는 출구 측으로 갈수록 점차 소모되며 분압이 감소하게 되고, 이로 인해 연료 전지 스택은 연료 전지들의 수소와 공기 입구 측에서 출구 측으로 갈수록 전압이 점차 작아지게 된다.
그리고, 연료 전지들에는 수소와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 물의 양도 수소와 공기의 입구 측에서 출구 측으로 갈수록 적체 및 증가하게 되며, 이러한 물의 적체 및 증가는 수소와 공기의 분압을 감소시키는 원인으로 작용하게 된다.
이는 연료 전지들의 내부에서 물이 가장 많이 존재하고, 플러딩(flooding) 현상이 발생하기 쉬운 반응기체 출구 측의 전압이 입구 측의 전압 보다 상대적으로 낮다는 것을 의미하며, 이로 인해 연료 전지들에 대한 반응기체의 입구 측과 출구 측의 전압 차이가 발생하게 된다.
즉, 연료 전지들의 수소와 공기 출구 측에 플러딩이 발생할수록 전압은 더욱 낮아지게 된다는 것을 의미하며, 궁극적으로는 연료 전지들의 공기극과 연료극 내에 물이 차게 되면 국부적인 유로 막힘으로 해당 부위의 전압이 0V 이하가 되는 것이다.
따라서, 상기와 같은 공기극과 연료극의 플러딩 현상으로 인해 공기극과 연료극의 전극 손상을 유발하며, 전극의 열화를 가속화시키면서 전체 스택의 내구 성능을 떨어뜨리게 된다.
이를 방지하기 위해 종래 기술에서는 연료 전지들의 셀 평균 전압을 기준으로 공기극과 연료극의 플러딩을 억제하는 방식을 채용하는 바, 연료 전지들의 셀 평균 전압이 하한에 다다르면 별도의 물 넘침 방지장치를 구동하여 물을 배출하고 있다.
그리고, 상기와 같은 물 넘침 방지장치의 구동으로 전압 하락을 막지 못할 때는 온-오프 밸브의 개방으로 공기극과 연료극에 적체된 물을 배출하고 있다.
그런데, 상술한 바와 같은 종래 기술에서는 연료 전지들의 셀 내부에서 플러딩이 발생하는 것을 근본적으로 억제하지 못하므로, 전극의 열화를 유발하여 스택의 내구성이 저하될 소지가 크다.
또한, 종래 기술에서는 연속적인 연료 전지의 운전 시, 전압의 흔들림이 커서 안정적인 스택 운전이 불가능하며, 필연적으로 전압 변동이 크게 발생하므로 최적 효율점에서의 운전이 불가능하다는 단점이 있다.
본 발명의 실시예들은 연료 전지들의 반응기체(수소와 공기) 입구 측과 출구 측의 전압 편차를 이용하여 연료 전지들의 공기극과 연료극에서 플러딩이 발생하는 것을 판별 및 사전 검지할 수 있도록 한 연료 전지 시스템 및 그의 제어 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 연료 전지들의 공기극과 연료극 전체로 플러딩이 확산되기 전에 연료 전지들로 반응기체를 공급하는 장치를 제어하여 공기극과 연료극에 적체된 물을 제거함으로써 전극의 열화를 억제하는 등 연료 전지들의 내구성 및 셀 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료 전지 시스템 및 그의 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체로 이루어진 스택과, ⅱ)상기 연료 전지들로 반응기체를 공급하기 위한 반응기체 공급유닛과, ⅲ)상기 연료 전지들의 반응기체 입구 측과 출구 측의 전압을 검출하는 전압 검출부와, ⅳ)상기 반응기체 입구 측과 출구 측의 전압 차를 연산하는 연산부와, ⅴ)상기 반응기체 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우 상기 반응기체 공급유닛을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 스택은 상기 연료 전지들의 반응기체 입구 측에서 출구 측으로 갈수록 전압이 점차 작아지게 나타날 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지들은 막-전극 어셈블리(MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 연료극과 공기극이 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는 상기 반응기체의 입구 측과 출구 측의 전압 차와 기준 전압 편차를 비교 판단하여 상기 연료극과 공기극의 플러딩(flooding)을 각각 판별할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 반응기체 공급유닛은 상기 연료 전지들로 수소를 공급하기 위한 수소 공급부와, 상기 연료 전지들로 공기를 공급하기 위한 공기 공급부와, 상기 연료 전지들로부터 배출되는 수소와 상기 수소 공급부를 통해 공급되는 수소를 믹싱하여 그 혼합 가스를 상기 연료 전지들로 공급하는 수소 재순환부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기극의 공기 입구를 기준으로 상기 연료극의 수소 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우, 상기 제어부는 상기 수소 공급부와 수소 재순환부를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료극의 수소 입구를 기준으로 상기 공기극의 공기 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우, 상기 제어부는 상기 공기 공급부를 제어할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법은, (a) 연료 전지들의 반응기체 입구 측과 출구 측의 전압을 검출하는 과정과, (b) 상기 반응기체의 입구 측과 출구 측의 전압 차를 연산하는 과정과, (c) 상기 반응기체의 입구 측과 출구 측의 전압 차와 기준 전압 편차를 비교 판단하는 과정과, (d) 상기 반응기체의 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우, 반응기체 공급유닛을 제어하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 (d) 과정에서 상기 연료 전지의 공기극 공기 입구를 기준으로, 상기 연료 전지의 연료극 수소 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우, 상기 연료극에서 플러딩(flooding)이 발생하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 연료극에서 플러딩이 발생하는 것으로 판단되면, 상기 반응기체 공급유닛을 통해 상기 연료극으로 공급되는 수소의 공급율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 (d) 과정에서 상기 연료 전지의 연료극 수소 입구를 기준으로, 상기 연료 전지의 공기극 공기 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우, 상기 공기극에서 플러딩(flooding)이 발생하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 공기극에서 플러딩이 발생하는 것으로 판단되면, 상기 반응기체 공급유닛을 통해 상기 공기극으로 공급되는 공기의 공급율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예는 연료 전지들의 반응기체(수소와 공기) 입구 측과 출구 측의 전압 편차를 이용하여 연료 전지들의 공기극과 연료극에서 국부적인 플러딩이 발생하는 것을 판별 및 사전 검지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지들의 공기극과 연료극 전체로 플러딩이 확산되기 전에 반응기체 공급유닛을 제어하여 공기극과 연료극에 적체된 물을 제거함으로써 전극의 열화를 억제하는 등 연료 전지들의 내구성 및 셀 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 간단한 구성으로 연료 전지들의 공기극과 연료극에서 플러딩이 발생하는지를 판별할 수 있으며, 플러딩이 발생하는 전극에 따라 물 제거 로직을 달리 적용함으로써 불필요한 에너지 소모를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 시스템의 운전 시, 스택의 전압 변동이 작으므로, 연료 전지들의 안정적인 전압 출력을 도모할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템에 적용되는 연료 전지의 부위별 전압 측정 위치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 수소로서의 연료와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템으로 구성된다.
본 실시예에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 스택(10)과 반응기체 공급유닛(20)을 포함하고 있다.
상기 스택(10)은 단위의 연료 전지(17)가 다수 매로서 적층된 단위 연료 전지들(17)의 전기 발생 집합체로 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 연료 전지(17)는 막-전극 어셈블리(11: MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(당 업계에서는 통상적으로 "분리판" 또는 바이폴라 플레이트" 라고도 한다)를 포함하는 공기극(13)과 연료극(15)이 배치된 구조로 이루어진다.
여기서, 본 시스템(100)의 정상 운전 시, 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 고온 건조 또는 다습한 공기를 배출하며, 연료극(15)에서는 미반응 수소로서의 습윤 수소를 배출한다.
상기 반응기체 공급유닛(20)은 스택(10)의 연료 전지들(17)로 반응기체를 공급하는 것으로서, 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 공기를 공급하고, 연료극(15)으로 수소를 공급하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에서, 상기 반응기체 공급유닛(20)은 공기 공급부(30)와, 수소 공급부(40)와, 수소 재순환부(50)를 포함하고 있다.
상기 공기 공급부(30)는 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 공기를 공급하기 위한 것으로, 대기 중의 공기를 흡입하여 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 공급할 수 있는 공기 블로워(31)를 포함한다.
상기 수소 공급부(40)는 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 수소 가스(이하에서는 편의 상 "수소" 라고 한다)를 공급하기 위한 것으로, 수소를 저장하고 그 수소를 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급할 수 있는 수소 탱크(41)를 포함한다.
그리고, 상기 수소 재순환부(50)는 연료 전지(17)의 연료극(15)으로부터 배출되는 수소와 수소 탱크(41)로부터 공급되는 수소를 믹싱하고 그 믹싱 수소를 연료극(15)으로 공급하기 위한 것이다.
이러한 수소 재순환부(50)는 연료극(15)으로부터 배출되는 수소를 흡입하는 수소 블로워(51)와, 수소 블로워(51)를 통해 흡입된 수소와 수소 탱크(41)로부터 공급되는 수소를 믹싱하는 믹서(53)를 포함할 수 있다.
한편, 상기에서와 같은 스택(10)에 있어 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지들(17)의 전압은 공기극(13)과 연료극(15)에 대한 수소와 공기(반응기체)의 분압으로 결정될 수 있다.
여기서, 연료 전지들(17)의 공기극(13)과 연료극(15)의 입구로 공급된 수소와 공기(반응기체)는 출구로 갈수록 소모되며 분압이 감소하게 되고, 이로 인해 상기 스택(10)은 연료 전지들(17)의 수소와 공기(반응기체) 입구 측에서 출구 측으로 갈수록 전압이 점차 작아지게 된다.
그리고, 연료 전지들(17)에는 수소와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 물의 양도 수소와 공기(반응기체)의 입구 측에서 출구 측으로 갈수록 적체 및 증가하게 되며, 이러한 물의 적체 및 증가는 수소와 공기(반응기체)의 분압을 감소시키는 원인으로 작용하게 된다.
이는 연료 전지들(17)의 내부에서 물이 가장 많이 존재하고, 플러딩(flooding) 현상이 발생하기 쉬운 반응기체 출구 측의 전압이 입구 측의 전압 보다 상대적으로 낮다는 것을 의미하며, 이로 인해 연료 전지들(17)에 대한 반응기체의 입구 측과 출구 측의 전압 차이가 발생하게 된다.
즉, 연료 전지들(17)의 반응기체 출구 측에 플러딩이 발생할수록 전압은 더욱 낮아지게 된다는 것을 의미하며, 궁극적으로는 연료 전지들(17)의 공기극(13)과 연료극(15) 내에 물이 차게 되면 국부적인 유로 막힘으로 해당 부위의 전압이 0V 이하가 되는 것이다.
따라서, 상기에서와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 간단한 구성으로 연료 전지(17)들의 공기극(13)과 연료극(15)에서 국부적인 플러딩이 발생하는 것을 판별 및 사전 검지할 수 있는 구조로 이루어진다.
또한, 연료 전지들(17)의 공기극(13)과 연료극(15) 전체로 플러딩이 확산되기 전에 반응기체 공급유닛(20)을 제어하여 공기극(13)과 연료극(15)에 적체된 물을 제거함으로써 전극의 열화를 억제하는 등 연료 전지들(17)의 내구성 및 셀 성능을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지들(17)의 반응기체(수소와 공기) 입구 측과 출구 측의 전압 편차를 이용하여 연료 전지(17)들의 공기극(13)과 연료극(15)에서 국부적인 플러딩이 발생하는 것을 판별할 수 있는 플러딩 판별장치(60)를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 플러딩 판별장치(60)는 전압 검출부(70)와, 연산부(80)와, 제어부(90)를 포함하고 있다.
상기 전압 검출부(70)는 연료 전지들(17)의 반응기체 입구 측과 출구 측의 전압을 검출하기 위한 것이다.
예를 들면, 상기 전압 검출부(70)는 스택(10)의 단위 셀인 각 연료 전지(17)의 전압을 측정할 수 있는 공지 기술의 셀 전압 측정장치로서 구비되며, 도 2에서와 같이 연료 전지(17)의 공기극(13) 측에서 공기 입출구(C1, C2) 및 수소 입출구(C3, C4) 측의 전압과, 연료극(15) 측에서 공기 입출구(A1, A2) 및 수소 입출구(A3, A4)의 전압을 검출할 수 있다.
여기서, 상기 전압 검출부(70)를 구성하는 기준 셀은 1~N 매의 연료 전지들(17)이 적층되는 스택(10)을 기준으로, 반응기체의 입구 측에서 1~10번 셀 중 어느 하나로 선정하고, 반응기체의 출구 측에서 (N-10)~N번 셀 중 어느 하나로 선정할 수 있다.
상기 연산부(80)는 전압 검출부(70)에 의해 검출된 반응기체의 입구 측과 출구 측의 전압 편차를 연산한다.
그리고, 상기 제어부(90)는 연산부(80)에 의해 연산된 반응기체 입구 측과 출구 측의 전압 편차를 기준 전압 편차와 비교 판단하여 그 비교값에 따라 반응기체 공급유닛(20)을 제어할 수 있다.
여기서, 상기한 기준 전압 편차는 공기극(13)과 연료극(15)의 반응기체 패스 길이/폭과, 수소와 공기의 주입 압력 등 연료 전지의 사양 및 운전 조건에 따라 다양하게 변형될 수 있으므로, 본 실시예에서는 기준 전압 편차를 어느 특정한 값으로 한정하지 않는다.
상기 제어부(90)는 반응기체 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우 상기 반응기체 공급유닛(20)을 제어할 수 있다.
즉, 상기 제어부(90)는 반응기체의 입구 측과 출구 측의 전압 편차와 기준 전압 편차를 비교 판단하여 공기극(13)과 연료극(15)의 플러딩(flooding)을 각각 판별할 수 있다.
예를 들면, 상기 제어부(90)는 공기극(13)의 공기 입구를 기준으로 연료극(15)의 수소 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우, 반응기체 공급유닛(20)의 수소 공급부(40)와 수소 재순환부(50)를 제어할 수 있다.
이는 상기 제어부(90)가 연료극(15)에서 플러딩이 발생하는 것으로 판단한 것인 바, 수소 재순환부(50)의 수소 블로워(51)의 rpm을 증가시키거나 수소 공급부(40)를 통해 수소를 강제로 퍼지시키는 등 연료극(15)으로 공급되는 수소의 공급율을 증가시킴으로 연료극(15)에서의 물을 제거하고, 연료극(15)의 플러딩을 억제할 수 있다.
한편, 상기 제어부(90)는 연료극(15)의 수소 입구를 기준으로 공기극(13)의 공기 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우, 반응기체 공급유닛(20)의 공기 공급부(30)를 제어할 수 있다.
이는 상기 제어부(90)가 공기극(13)에서 플러딩이 발생하는 것으로 판단한 것인 바, 공기 공급부(30)의 공기 블로워(31)의 rpm을 증가시키는 등 공기극(13)으로 공급되는 공기의 공급율을 증가시킴으로 공기극(13)에서의 물을 제거할 수 있고, 공기극(13)의 플러딩을 억제할 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 시스템(100)의 정상 운전 시, 전압 검출부(70)를 통해 연료 전지들(17)의 반응기체(수소와 공기) 입구 측과 출구 측의 전압을 검출한다(S10 단계).
예를 들면, 상기 S10 단계에서 전압 검출부(70)는 연료 전지 공기극(13)의 공기 입구를 기준으로, 연료극(15)의 수소 입구 측과 출구 측의 전압을 측정한다.
또한, 상기 전압 검출부(70)는 연료 전지 연료극(15)의 수소 입구를 기준으로 공기극(13)의 공기 입구 측과 출구 측의 전압을 측정한다.
이어서, 연산부(80)는 반응기체 입구 측과 출구 측의 전압 편차를 연산하는 바(S20 단계), 연료극(15)의 수소 입구 측과 출구 측의 전압 편차를 연산하고, 공기극(13)의 공기 입구 측과 출구 측의 전압 편차를 연산한다.
다음으로, 연료 전지들(17)에 대한 반응기체의 입구 측과 출구 측의 전압 편차와 기준 전압 편차를 비교하고(S30 단계), 반응기체의 입구 측과 출구 측의 전압 편차가 기준 전압 편차 보다 큰 것으로 판단되면(S40 단계), 반응기체 공급유닛(20)을 제어한다(S50 단계).
상기한 과정을 보다 구체적으로 설명하면, 예를 들어 본 발명의 실시예에서는 연료 전지(17)의 공기극(13) 공기 입구를 기준으로, 연료극(15) 수소 입구 측과 출구 측의 전압 편차가 기준 전압 편차 보다 클 경우, 연료극(15)에서 플러딩이 발생하는 것으로 판단할 수 있다.
이렇게 상기 연료극(15)에서 플러딩이 발생하는 것으로 판단되면, 본 발명의 실시예에서는 반응기체 공급유닛(20)의 수소 공급부(40)와 수소 재순환부(50)를 제어하는데, 수소 재순환부(50)의 수소 블로워(51)의 rpm을 증가시키거나 수소 공급부(40)를 통해 수소를 강제로 퍼지시키는 등 연료극(15)으로 공급되는 수소의 공급율을 증가시킨다.
그러면, 상기 연료극(15)으로 공급되는 수소의 공급율이 증가함에 따라, 연료극(15)에서의 물을 배출하고(S60 단계), 결과적으로는 연료극(15)의 플러딩을 억제할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지(17)의 연료극(15) 수소 입구를 기준으로, 공기극(13) 공기 입구 측과 출구 측의 전압 편차가 기준 전압 편차 보다 클 경우, 공기극(13)에서 플러딩(flooding)이 발생하는 것으로 판단할 수 있다.
이렇게 상기 공기극(13)에서 플러딩이 발생하는 것으로 판단되면, 본 발명의 실시예에서는 반응기체 공급유닛(20)의 공기 공급부(30)를 제어하는데, 공기 블로워(31)의 rpm을 증가시키는 등 공기극(13)으로 공급되는 공기의 공급율을 증가시킨다.
그러면, 상기 공기극(13)으로 공급되는 공기의 공급율이 증가함에 따라, 공기극(13)에서의 물을 배출하고(S60 단계), 공기극(13)의 플러딩을 억제할 수 있게 된다.
지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 연료 전지들(17)의 반응기체(수소와 공기) 입구 측과 출구 측의 전압 편차를 이용하여 연료 전지(17)들의 공기극(13)과 연료극(15)에서 국부적인 플러딩이 발생하는 것을 판별 및 사전 검지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지들(17)의 공기극(13)과 연료극(15) 전체로 플러딩이 확산되기 전에 반응기체 공급유닛(20)을 제어하여 공기극(13)과 연료극(15)에 적체된 물을 제거함으로써 전극의 열화를 억제하는 등 연료 전지들(17)의 내구성 및 셀 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 간단한 구성으로 연료 전지들(17)의 공기극(13)과 연료극(15)에서 플러딩이 발생하는지를 판별할 수 있으며, 플러딩이 발생하는 전극에 따라 물 제거 로직을 달리 적용함으로써 불필요한 에너지 소모를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 시스템(100)의 운전 시, 스택(10)의 전압 변동이 작으므로, 연료 전지들(17)이 안정적으로 전압을 출력할 수 있다.
이상을 통해 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.
10... 스택 11... MEA
13... 공기극 15... 연료극
17... 연료 전지 20... 반응기체 공급유닛
30... 공기 공급부 31... 공기 블로워
40... 수소 공급부 41... 수소 탱크
50... 수소 재순환부 51... 수소 블로워
53... 믹서 60... 플러딩 판별장치
70... 전압 검출부 80... 연산부
90... 제어부

Claims (11)

  1. 단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체로 이루어진 스택;
    상기 연료 전지들로 반응기체를 공급하기 위한 반응기체 공급유닛;
    상기 연료 전지들의 반응기체 입구 측과 출구 측의 전압을 검출하는 전압 검출부;
    상기 반응기체 입구 측과 출구 측의 전압 차를 연산하는 연산부; 및
    상기 반응기체 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우 상기 반응기체 공급유닛을 제어하는 제어부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 스택은,
    상기 연료 전지들의 반응기체 입구 측에서 출구 측으로 갈수록 전압이 점차 작아지게 나타나는 연료 전지 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 연료 전지들은 막-전극 어셈블리(MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 연료극과 공기극이 배치되며,
    상기 제어부는 상기 반응기체의 입구 측과 출구 측의 전압 차와 기준 전압 편차를 비교 판단하여 상기 연료극과 공기극의 플러딩(flooding)을 각각 판별하는 연료 전지 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 반응기체 공급유닛은,
    상기 연료 전지들로 수소를 공급하기 위한 수소 공급부와,
    상기 연료 전지들로 공기를 공급하기 위한 공기 공급부와,
    상기 연료 전지들로부터 배출되는 수소와 상기 수소 공급부를 통해 공급되는 수소를 믹싱하여 그 혼합 가스를 상기 연료 전지들로 공급하는 수소 재순환부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 연료 전지는 막-전극 어셈블리(MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 연료극과 공기극을 배치하여 이루어지며,
    상기 공기극의 공기 입구를 기준으로 상기 연료극의 수소 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우, 상기 제어부는 상기 수소 공급부와 수소 재순환부를 제어하는 연료 전지 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 연료 전지는 막-전극 어셈블리(MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 연료극과 공기극을 배치하여 이루어지며,
    상기 연료극의 수소 입구를 기준으로 상기 공기극의 공기 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우, 상기 제어부는 상기 공기 공급부를 제어하는 연료 전지 시스템.
  7. (a) 연료 전지들의 반응기체 입구 측과 출구 측의 전압을 검출하는 과정;
    (b) 상기 반응기체의 입구 측과 출구 측의 전압 차를 연산하는 과정;
    (c) 상기 반응기체의 입구 측과 출구 측의 전압 차와 기준 전압 편차를 비교 판단하는 과정; 및
    (d) 상기 반응기체의 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우, 반응기체 공급유닛을 제어하는 과정;
    을 포함하는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 (d) 과정에서,
    상기 연료 전지의 공기극 공기 입구를 기준으로, 상기 연료 전지의 연료극 수소 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우, 상기 연료극에서 플러딩(flooding)이 발생하는 것으로 판단하는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 연료극에서 플러딩이 발생하는 것으로 판단되면,
    상기 반응기체 공급유닛을 통해 상기 연료극으로 공급되는 수소의 공급율을 증가시키는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 (d) 과정에서,
    상기 연료 전지의 연료극 수소 입구를 기준으로, 상기 연료 전지의 공기극 공기 입구 측과 출구 측의 전압 차가 기준 전압 편차 보다 클 경우, 상기 공기극에서 플러딩(flooding)이 발생하는 것으로 판단하는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 공기극에서 플러딩이 발생하는 것으로 판단되면,
    상기 반응기체 공급유닛을 통해 상기 공기극으로 공급되는 공기의 공급율을 증가시키는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
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