KR20140055753A - 연료 전지 시스템과 이의 수소 퍼지 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템이 개시된다. 개시된 연료 전지 시스템은 ⅰ)단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체로 이루어지는 연료 전지 스택과, ⅱ)연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급유닛과, ⅲ)공기 공급유닛을 통해 공급되는 공기를 공기극으로부터 배출되는 배출 공기로서 가습하는 가습기와, ⅳ)연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하는 수소 공급유닛과, ⅴ)연료극으로부터 배출되는 배출 수소를 연료극으로 재순환시키는 수소 재순환유닛과, ⅵ)연료극의 출구 측에 연결된 수소 배출라인에 설치되며 그 연료극으로부터 배출되는 수분을 저장 및 배출하는 워터 트랩과, ⅶ)수소 배출라인을 선택적으로 개방하며 그 연료극에 축적된 물을 배출하기 위한 수소 퍼지 장치를 포함하며, 수소 퍼지 장치는 워터 트랩에 수용된 물의 생성수량을 산출하고 그 산출값을 제어기로 출력하는 생성수량 산출부와, 워터 트랩의 출구 측에서 수소 배출라인에 설치되며 생성수량 산출값에 따라 제어기에 의해 수소 배출라인을 선택적으로 개폐하는 밸브부를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템과 이의 수소 퍼지 장치 및 방법 {FUEL CELL SYSTEM, HYDROGEN PURGING DEVICE AND METHOD OF THE SAME}
본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지의 연료극에 축적되는 물을 배출하기 위한 수소 퍼지 장치 및 방법에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템은 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로 이루어진다. 예를 들면, 연료 전지 시스템은 연료 전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.
이러한 연료 전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체인 연료 전지 스택과, 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치를 구비하고 있다.
여기서, 스택은 연료 전지의 공기극에서 고온 다습한 공기가 배출될 수 있으며, 고출력 운전 시에는 연료 전지의 공기극에서 고온 건조한 공기가 배출될 수 있다. 그리고, 연료 전지의 연료극에서는 수분을 포함하고 있는 미반응 수소가 배출될 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템은 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 공기와 공기 공급장치로부터 공급되는 공기의 막 가습이 이루어지고 그 가습된 공기를 연료 전지의 공기극으로 공급하는 가습장치를 구비하고 있다.
이에 더하여, 연료 전지 시스템은 연료 전지의 연료극으로부터 배출되는 수소와 수소 공급장치로부터 공급되는 수소를 믹싱하고 그 믹싱 수소를 연료 전지의 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛과, 연료 전지의 연료극으로부터 배출되는 수소 중의 수분 또는 응축수를 저장/배출하는 워터 트랩을 더 구비하고 있다.
한편, 연료 전지 스택의 단위 연료 전지는 멤브레인(membrane)을 통해 수소 프로톤 이온이 연료극에서 공기극으로 이동하면서 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 생성한다. 이러한 전기 화학인 반응 시 연료 전지의 내부에서는 물이 생성되는데 이론적으로는 공기극 측에 주로 생성되며 출구로 배출된다.
하지만 실제 연료 전지의 운전에서는 공기극 측의 가스 유량에 의한 압력 차이로 인해 공기극 측에서 생성된 물이 멤브레인을 통해 연료극 측으로 이동하여 그 연료극 측에 축적하게 되는 바, 이러한 현상을 백 디퓨전(back diffusion)이라고 한다.
이와 같이 연료극 측에 물이 축적되면 수소 가스의 공급을 막음으로써 가스 부족 현상이 발생하고 결국 연료 전지의 손상을 야기한다. 이를 방지하기 위해 연료 전지 시스템에서는 연료극의 출구 측에서 퍼지 밸브을 주기적으로 개방하여 연료극 측의 물을 배출하고 있다.
상기와 같이 퍼지 밸브를 개방하는 기준은 연료 전지의 부하 전류와 누적 시간의 적분 값인 전하량(쿨롱)으로 설정하고 있다. 즉, 기준 전하량(쿨롱)을 설정하여 그 기준 값에 도달하면 퍼지 밸브를 개방하는 방식이다.
그런데, 이와 같은 경우에서는 연료극 내부의 물 축적에 대한 빠른 응답이 어렵고, 미 부하 운전 시 생성되어 연료극에 축적되는 물에 의한 플루딩(flooding) 현상을 야기시킬 수 있다.
또한, 종래 기술에서는 연료 전지의 전하량을 기준으로 퍼지 밸브를 개방하여 연료극의 수소를 퍼지시킴으로 인해 수소 이용율이 저하되고, 연료 전지 시스템의 내구 성능이 저하될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 전하량 기준이 아닌 실제 연료 전지의 연료극 측에 축적된 물의 양을 기준으로 퍼지 밸브를 개방하여 연료극을 수소 퍼지시킬 수 있도록 한 연료 전지 시스템과 이의 수소 퍼지 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체로 이루어지는 연료 전지 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 공기 공급유닛을 통해 공급되는 공기를 상기 공기극으로부터 배출되는 배출 공기로서 가습하는 가습기와, ⅳ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하는 수소 공급유닛과, ⅴ)상기 연료극으로부터 배출되는 배출 수소를 상기 연료극으로 재순환시키는 수소 재순환유닛과, ⅵ)상기 연료극의 출구 측에 연결된 수소 배출라인에 설치되며 그 연료극으로부터 배출되는 수분을 저장 및 배출하는 워터 트랩과, ⅶ)상기 수소 배출라인을 선택적으로 개방하며 그 연료극에 축적된 물을 배출하기 위한 수소 퍼지 장치를 포함하며, 상기 수소 퍼지 장치는 상기 워터 트랩에 수용된 물의 생성수량을 산출하고 그 산출값을 제어기로 출력하는 생성수량 산출부와, 상기 워터 트랩의 출구 측에서 상기 수소 배출라인에 설치되며 상기 생성수량 산출값에 따라 상기 제어기에 의해 상기 수소 배출라인을 선택적으로 개폐하는 밸브부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 생성수량 산출부는 연료 전지 시스템의 운전 온도와 연료 전지의 전류량에 따라 물의 생성수량을 산출할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 장치는, 연료 전지의 수소 배출라인에 설치된 워터 트랩을 포함하는 연료 전지 시스템에서 상기 연료 전지의 연료극 출구 측을 선택적으로 개방하여 그 연료극에 축적된 물을 배출하기 위한 것으로서, ⅰ)상기 워터 트랩에 수용된 물의 생성수량을 산출하고 그 산출값을 제어기로 출력하는 생성수량 산출부와, ⅱ)상기 워터 트랩의 출구 측에서 상기 수소 배출라인에 설치되며 상기 생성수량 산출값에 따라 상기 제어기에 의해 상기 수소 배출라인을 선택적으로 개폐하는 밸브부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 장치에 있어서, 상기 밸브부는 상기 생성수량 산출부에 의해 산출된 물의 양에 따라 상기 제어기에 의해 개방 시간과 주기가 결정될 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법은, 연료 전지의 수소 배출라인에 설치된 워터 트랩을 포함하는 연료 전지 시스템에서 상기 연료 전지의 연료극 출구 측을 선택적으로 개방하여 그 연료극에 축적된 물을 배출하기 위한 것으로서, 상술한 바와 같은 수소 퍼지 장치를 제공하고, 상기 워터 트랩에 축적된 물의 양을 생성수량 산출부를 통해 산출하고 그 산출값을 제어기로 출력하며, 상기 생성수량 산출값에 따라 상기 제어기에 의해 밸브부를 일정 시간 및 주기로 개방할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법은, 연료 전지 시스템의 운전 온도를 "x"라 하고, 연료 전지의 물 생성수량을 "y"라고 할 때, y = -0.0125x + 8.2986을 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법은, 상기 연료 전지의 전류량이 57A일 때, 물 생성수량이 2790mg에 도달하면 상기 밸브부를 0.3초 동안 개방할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법은, 상기 연료 전지의 전류량이 115A일 때, 물 생성수량이 2736mg에 도달하면 상기 밸브부를 0.27초 동안 개방할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법은, 상기 연료 전지의 전류량이 216A일 때, 물 생성수량이 2048mg에 도달하면 상기 밸브부를 0.21초 동안 개방할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 연료 전지들의 전하량 기준이 아닌 실제 워터 트랩에 축적된 물의 양을 기준으로 밸브부를 개방하여 연료극을 수소 퍼지시킴으로써 연료극에 축적된 물을 배출시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 실제 연료 전지 내부의 물 축적량을 기준으로 밸브부를 개방함으로써 연료 전지들의 연료극을 수소 퍼지시킴에 따라 수소 이용률을 상승시킬 수 있고, 연료 전지 시스템의 내구 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 시스템의 미 부하 운전 시 생성되어 연료극 측에 축적되는 물에 의한 연료 전지의 플루딩(flooding) 현상을 예방할 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 워터 트랩과 밸브부의 연동을 통해서 실제 운전 시 발생되는 물의 양을 추측할 수 있으므로 연료 전지 시스템의 운전 기술 개선 효과를 기대할 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 시스템 및 이에 적용되는 수소 퍼지 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법을 설명하기 위한 전류량과 생성수량의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 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.
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.
그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 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.
또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템 및 이에 적용되는 수소 퍼지 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 발전 시스템으로, 그 전기 에너지로서 전기 모터를 구동시키는 연료 전지 차량에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 상기 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료를 수소 가스(이하에서는 편의 상 "수소" 라고 한다)로 정의할 수 있으며, 산화제를 공기로 정의할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 연료 전지 스택(10)과, 공기 공급유닛(20)과, 수소 공급유닛(30)과, 가습기(40)와, 수소 재순환유닛(50)과, 워터 트랩(60)과, 수소 퍼지 장치(70)를 포함하고 있다.
상기 연료 전지 스택(10)은 공기극(11)과 연료극(12)으로 이루어진 연료 전지들(15)의 전기 발생 집합체로 이루어지며, 수소 공급유닛(30)으로부터 공급되는 수소를 공급받고 공기 공급유닛(20)으로부터 공기를 제공받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
상기 공기 공급유닛(20)은 전원을 인가받아 구동하며 대기 중의 공기를 연료 전지들(15)의 공기극으로 공급하는 공기 블로워(air blower)를 포함하며, 수소 공급유닛(30)은 수소를 가스 형태로 압축 저장하며 연료 전지들(15)의 연료극(12)으로 공급하는 수소 탱크를 포함할 수 있다.
상기 가습기(40)는 연료 전지들(15)의 공기극(11)으로부터 배출되는 습윤 공기로서 공기 공급유닛(20)으로부터 공급되는 건조 공기를 막-가습하는 막-가습장치로서 구비될 수 있다.
상기 수소 재순환유닛(50)은 연료 전지들(15)의 연료극(12)으로부터 배출되는 배출 수소를 그 연료극(12)으로 재순환시키기 위한 것으로서, 그 배출 수소를 연료 전지들(15)의 공기극(11) 측으로 공급하는 재순환 블로워를 포함할 수 있다.
상기 워터 트랩(60)은 연료 전지들(15)의 연료극(12)으로부터 배출되는 수분을 저장 및 배출하는 것으로, 그 연료극(12)의 출구 측에 연결된 수소 배출라인(61)에 설치될 수 있다.
상기 수소 퍼지 장치(70)는 연료극(12)에 축적된 물을 배출하기 위해 그 연료극(12)를 퍼지시키는 것으로서, 위에서 언급한 바 있는 수소 배출라인(61)을 선택적으로 개방할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 수소 퍼지 장치(70)는 종래 기술에서와 같은 연료 전지들(15)의 전하량 기준이 아닌 실제 연료 전지들(15)의 연료극(12) 측에 축적된 물의 양을 기준으로 연료극(12)을 수소 퍼지시킬 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 수소 퍼지 장치(70)는 기본적으로, 생성수량 산출부(71)와 밸브부(73)를 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.
상기 생성수량 산출부(71)는 워터 트랩(60)에 수용된 물의 생성수량을 산출하고 그 산출값을 제어기(90)로 출력한다.
이러한 생성수량 산출부(71)는 연료 전지 시스템(100)의 운전 온도와 연료 전지(15)의 전류량(부하량)에 따라 물의 생성수량을 산출하는 바, 그 생성수량 산출값은 연료 전지 시스템(100)의 운전 온도를 "x"라 하고, 연료 전지(15)의 물 생성수량을 "y"라고 할 때, 그 물 생성수량 y = -0.0125x + 8.2986을 만족할 수 있다.
여기서, 상기 생성수량 산출부(71)는 연료 전지 시스템(100)의 운전 온도를 50℃로 기준할 때, 연료 전지(15)의 전류량에 따른 물의 생성수량을 산출할 수 있다.
도 2는 연료 전지의 전류량(부하량)에 따른 연료 전지(15) 내부의 물 분포를 나타내고 있는 바, 연료극(12) 측에 축적되는 물의 양(생성수량)은 연료 전지(15)의 전류향에 따라 다르게 나타남을 알 수 있다.
이와 같이 연료 전지(15) 내부 물의 양이 다르게 나타나면 연료극(12) 출구 측의 워터 트랩(60)에 수용(축적)되는 물의 양 역시 연료 전지(15)의 전류량에 따라 달라짐은 당연하다 할 것이다.
한편, 상기에서 밸브부(73)는 연료극(12)에 축적된 물을 배출하기 위해 그 연료극(12)를 실질적으로 수소 퍼지시키는 것으로, 생성수량 산출부(71)를 통해 산출된 생성수량 산출값에 따라 제어기(90)에 의해 수소 배출라인(61)을 선택적으로 개폐하는 기능을 하게 된다.
상기 밸브부(73)는 제어기(90)의 전기적인 제어 신호에 따라 개폐하는 퍼지 밸브로 구비되며, 워터 트랩(60)의 출구 측에서 수소 배출라인(61)에 설치될 수 있다.
이러한 밸브부(73)는 생성수량 산출부(71)에 의해 산출된 물의 양에 따라 제어기(90)에 의해 개방 시간과 개방 주기가 결정될 수 있다.
즉, 상기 제어기(90)는 생성수량 산출부(71)에 의해 산출된 생성수량 산출값과 기 설정된 기준값을 비교하여 밸브부(73)의 개방 시간과 개방 주기를 제어할 수 있다.
부연 설명하면, 본 발명의 실시예에서는 생성수량 산출부(71)에 의해 산출된 물의 양 즉, 워터 트랩(60)에 수용되어 있는 물의 양을 기준으로 제어기(90)에 의해 밸브부(73)의 개방 시간과 개방 주기를 정하는데, 그 워터 트랩(60)에 수용되어 있는 물은 밸브부(73)의 개방과 동시에 외부로 배출될 수 있다.
상기한 바와 같은 밸브부(73)의 개방 시간과 개방 주기의 결정은 워터 트랩(60)에 수용되어 있는 물의 양에 따라 가변적으로 결정되는데, 그 기준은 도 2에서와 같은 전류량에 따른 연료 전지(15) 내부의 물 생성량을 기본으로 하고 있다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)에 적용되는 수소 퍼지 장치(70)를 이용한 수소 퍼지 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 시스템(100)을 운전하면(S11 단계), 공기 공급유닛(20)을 통해 공기를 연료 전지들(15)의 공기극(11)으로 공급하고, 수소 공급유닛(30)을 통해 수소를 연료 전지들(15)의 연료극(12)으로 공급한다.
그러면, 상기 연료 전지들(15)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 공기극(11)으로부터 고온 다습한 습윤 공기를 배출시키고, 연료극(12)으로부터 수분을 포함하고 있는 수소를 배출하게 된다.
즉, 공기극(11) 측의 가스 유량에 의한 압력 차이로 인해 공기극(11) 측에서 생성된 물이 연료 전지(15)의 멤브레인(MEA)(13)을 통해 연료극(12)으로 이동하여 축적되는 바, 연료극(12)에서는 이러한 물을 포함한 수소를 배출하게 된다.
이와 같이, 상기 연료극(12)에 축적된 물은 수소 배출라인(61)을 통해 수소 성분과 함께 배출되며 워터 트랩(60)에서 포집되고, 수소 성분은 수소 재순환유닛(50)을 통해 연료 전지들(15)의 공기극(11) 측으로 재순환된다.
그리고, 상기 연료 전지들(15)의 공기극(11)으로부터 배출되는 습윤 공기는 가습기(40)로 공급되는 바, 가습기(40)는 공기 공급유닛(20)으로부터 공급되는 공기를 습윤 공기로서 가습하고 그 가습 공기를 연료 전지들(15)의 공기극(11)으로 공급한다.
한편, 상기와 같이 연료극(12) 측에 물이 축적되면 수소의 공급을 막음으로써 가스 부족 현상이 발생하여 연료 전지(15)의 손상을 야기시킬 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서와 같은 수소 퍼지 장치(70)를 통해 연료극(12)을 가변적으로 수소 퍼지시키며 그 연료극(12)에 축적된 물을 배출할 수 있다.
이러한 수소 퍼지 장치(70)를 이용한 수소 퍼지 방법을 구체적으로 설명하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 워터 트랩(60)에 축적된 물의 양을 생성수량 산출부(71)를 통해 산출하고 그 산출값을 제어기(90)로 출력한다(S12 단계).
여기서, 상기 생성수량 산출부(71)는 연료 전지 시스템(100)의 운전 온도와 연료 전지(15)의 전류량(부하량)에 따라 물의 생성수량을 산출하는 바, 그 생성수량 산출값은 연료 전지 시스템(100)의 운전 온도를 "x"라 하고, 연료 전지(15)의 물 생성수량을 "y"라고 할 때, y = -0.0125x + 8.2986의 수식으로서 산출될 수 있다.
이 경우, 상기 생성수량 산출부(71)는 연료 전지 시스템(100)의 운전 온도를 50℃로 기준할 때, 연료 전지(15)의 전류량에 따른 물의 생성수량을 산출한다.
예를 들어, 생성수량 산출부(71)는 도 2에서와 같이 상기한 수식에 의해 연료 전지(15)의 전류량이 57A일 때 2790mg의 생성수량을 산출하고, 연료 전지(15)의 전류량이 115A일 때 2736mg의 생성수량을 산출하며, 연료 전지(15)의 전류량이 216A일 때 2048mg의 생성수량을 산출할 수 있다.
여기서, 연료 전지 시스템(100)의 운전 온도가 50℃이고 연료 전지(15)의 전류량이 57A일 때의 생성수량(2790mg)을 기준으로, 연료 전지(15)의 전류량 115A 및 216A의 생성수량 비율은 각각 90% 및 73%의 비율을 보인다.
따라서, 생성수량이 가장 많은 연료 전지(15)의 전류량이 57A에서 밸브부(73)의 개방 시간을 0.3초로 설정할 경우, 연료 전지(15)의 전류량이 115A 및 216A일 때는 밸브부(73)의 개방 시간이 각각 0.27초 및 0.21초가 된다.
이는 연료 전지(15)의 주 운전 영역인 216A의 전류량을 기준으로 대략 1초 정도의 개방 시간을 감소시킬 수 있다.
그리고, 상기 밸브부(73)의 개방 주기의 경우, 연료 전지(15)에서 생성되는 물의 양을 기준으로 주기를 정하는데, 생성수량이 가장 많은 57A의 전류량을 기준으로 개방 주기를 설정한다. 즉, 상기 생성수량 산출부(71)에 의해 산출된 생성수량 산출값이 2790mg에 도달하면 밸브부(73)의 개방을 진행한다.
따라서, 제어기(90)는 생성수량 산출값과 기 설정된 기준값을 비교 판단하고(S13 단계), 그 생성수량 산출값이 기준값을 만족하면 상기한 바와 같은 개방 시간 및 개방 주기로 밸브부(73)를 개방한다(S14 단계).
여기서, 상술한 바와 같은 생성수량 산출값 및 이에 따른 밸브부(73)의 개방 시간과 개방 주기는 임의로 선택된 연료 전지 스택(10)의 운전으로부터 도출된 경험치 및 실험 수치로서, 연료 전지 스택(10)의 구조, 연료 전지 시스템(100)의 운전 온도, 연료 전지들(15)의 전류량 및 밸브부(73)의 구조 등에 따라 달라질 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시예에서는 워터 트랩(60)에 축적된 물의 양을 기준으로 밸브부(73)를 개방하여 연료극(12)을 가변적으로 수소 퍼지시킴에 따라, 연료 전지들(15)의 연료극(12)에 축적된 물을 배출할 수 있다(S15 단계).
지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)과 이에 적용되는 수소 퍼지 장치(70) 및 방법에 의하면, 종래 기술에서와 같은 연료 전지들(15)의 전하량 기준이 아닌 실제 워터 트랩(60)에 축적된 물의 양을 기준으로 밸브부(73)를 개방하여 연료극(12)을 수소 퍼지시킴으로써 연료극(12)에 축적된 물을 배출시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 실제 연료 전지(15) 내부의 물 축적량을 기준으로 밸브부(73)를 개방함으로써 연료 전지들(15)의 연료극(12)을 수소 퍼지시킴에 따라 수소 이용률을 상승시킬 수 있고, 연료 전지 시스템(100)의 내구 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 시스템(100)의 미 부하 운전 시 생성되어 연료극(12) 측에 축적되는 물에 의한 연료 전지(15)의 플루딩(flooding) 현상을 예방할 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 워터 트랩(60)과 밸브부(73)의 연동을 통해서 실제 운전 시 발생되는 물의 양을 추측할 수 있으므로 연료 전지 시스템(100)의 운전 기술 개선 효과를 기대할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.
10... 연료 전지 스택 11... 공기극
12... 연료극 15... 연료 전지
20... 공기 공급유닛 30... 수소 공급유닛
40... 가습기 50... 수소 재순환유닛
60... 워터 트랩 61... 수소 배출라인
70... 수소 퍼지 장치 71... 생성수량 산출부
73... 밸브부 90... 제어기

Claims (9)

  1. 단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체로 이루어지는 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급유닛;
    상기 공기 공급유닛을 통해 공급되는 공기를 상기 공기극으로부터 배출되는 배출 공기로서 가습하는 가습기;
    상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하는 수소 공급유닛;
    상기 연료극으로부터 배출되는 배출 수소를 상기 연료극으로 재순환시키는 수소 재순환유닛;
    상기 연료극의 출구 측에 연결된 수소 배출라인에 설치되며 그 연료극으로부터 배출되는 수분을 저장 및 배출하는 워터 트랩; 및
    상기 수소 배출라인을 선택적으로 개방하며 그 연료극에 축적된 물을 배출하기 위한 수소 퍼지 장치를 포함하며,
    상기 수소 퍼지 장치는, 상기 워터 트랩에 수용된 물의 생성수량을 산출하고 그 산출값을 제어기로 출력하는 생성수량 산출부와, 상기 워터 트랩의 출구 측에서 상기 수소 배출라인에 설치되며 상기 생성수량 산출값에 따라 상기 제어기에 의해 상기 수소 배출라인을 선택적으로 개폐하는 밸브부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 생성수량 산출부는 연료 전지 시스템의 운전 온도와 연료 전지의 전류량에 따라 물의 생성수량을 산출하는 연료 전지 시스템.
  3. 연료 전지의 수소 배출라인에 설치된 워터 트랩을 포함하는 연료 전지 시스템에서 상기 연료 전지의 연료극 출구 측을 선택적으로 개방하여 그 연료극에 축적된 물을 배출하는 수소 퍼지 장치로서,
    상기 워터 트랩에 수용된 물의 생성수량을 산출하고 그 산출값을 제어기로 출력하는 생성수량 산출부; 및
    상기 워터 트랩의 출구 측에서 상기 수소 배출라인에 설치되며 상기 생성수량 산출값에 따라 상기 제어기에 의해 상기 수소 배출라인을 선택적으로 개폐하는 밸브부
    를 포함하는 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 밸브부는 상기 생성수량 산출부에 의해 산출된 물의 양에 따라 상기 제어기에 의해 개방 시간과 주기가 결정되는 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 장치.
  5. 연료 전지의 수소 배출라인에 설치된 워터 트랩을 포함하는 연료 전지 시스템에서 상기 연료 전지의 연료극 출구 측을 선택적으로 개방하여 그 연료극에 축적된 물을 배출하는 수소 퍼지 방법으로서,
    청구항 3의 수소 퍼지 장치를 제공하고,
    상기 워터 트랩에 축적된 물의 양을 생성수량 산출부를 통해 산출하고 그 산출값을 제어기로 출력하며,
    상기 생성수량 산출값에 따라 상기 제어기에 의해 밸브부를 일정 시간 및 주기로 개방하는 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    연료 전지 시스템의 운전 온도를 "x"라 하고, 연료 전지의 물 생성수량을 "y"라고 할 때, y = -0.0125x + 8.2986을 만족하는 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 전류량이 57A일 때, 물 생성수량이 2790mg에 도달하면 상기 밸브부를 0.3초 동안 개방하는 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 전류량이 115A일 때, 물 생성수량이 2736mg에 도달하면 상기 밸브부를 0.27초 동안 개방하는 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 전류량이 216A일 때, 물 생성수량이 2048mg에 도달하면 상기 밸브부를 0.21초 동안 개방하는 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
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