KR20160057117A - 연료전지 공기 유량 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 공기 유량 제어 방법에 관한 것으로, 연료전지의 드라이 현상을 억제하기 위해서 스택의 공기극으로의 공기 공급이 중단되는 아이들 스탑 상태에서, 주기적으로 공기극에 공기를 공급하며, 아이들 스탑 상태에서 수소극의 수소 농도 감소 속도가 완화되는 연료전지 공기 유량 제어 방법을 제공한다.

Description

연료전지 공기 유량 제어 방법{AIR FLOW CONTROLLING METHOD FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 공기 유량 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아이들 스탑 상태에서 주기적으로 연료전지로 공기를 공급하여 수소극의 수소 농도 감소 속도를 완화하는 연료전지 공기 유량 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템에서 연료전지의 출력이 없는 구간을 아이들(Idle) 이라고 지칭한다. 이 경우에는 연료전지 내부에서 전기화학 반응이 없기 때문에 물(H20)이 생성되지 않는다.
이러한 아이들 구간에서는 시스템 효율과 연료전지의 드라이 현상(MEA 내부에 물 함수율이 떨어지는 현상)을 억제하기 위해 공기극의 공기 공급을 중단하게 되며 이러한 운전 방법을 통칭 아이들 스탑(IDLE STOP)이라고 표현한다.
즉, 공기극에 공기를 공급하는 장치(매스 흐름 제어기(MFC; MASS FLOW CONTROLLER), 에어 블로워(AIR BLOWER) 또는 압축기(COMPRESSOR) 등)의 작동을 정지 시켜 공기극의 공기 공급을 중단하고 더불어 보기류(연료전지를 구동시키기 위해서 작동되는 단품(예를 들어, 밸브(VALVE), 펌프(PUMP) 등)의 소모 동력(에너지)를 줄여서 연료전지 시스템의 효율을 상승시킨다. 한편, 수소극은 급발진시, 연료전지 시스템 응답성 확보를 위해서 임의의 수소 필요량을 계속적으로 공급 및 유지하게 된다.
이러한 아이들 스탑 구간에서는 수소극의 수소 농도가 시간에 따라 감소하는 현상이 발생하여, 연료전지 시스템의 재기동시 수소극의 수소 농도가 낮게 유지된다. 이렇게 수소극의 수소 농도가 낮게 유지되면, 연료전지 스택의 내구성이 약화되고, 궁극적으로 연료전지의 성능을 떨어트려 연료전지 시스템의 운전 안전성에 악영향을 미치게 된다.
특히, 아이들 스탑 후에는 낮은 수소 농도에 의해 일부 연료전지의 성능이 평균 보다 낮아진다. 이때, 급발진과 같이 순간적으로 고출력을 요구하는 경우가 생길 가능성이 있는데, 연료전지 스택을 보호하기 위해서는 출력 제한이 걸릴 수 밖에 없으며, 이는 곧 연료전지 시스템의 응답성을 저해하는 원인이 된다.
아이들 스탑 후, 연료전지 시스템의 응답성을 향상시키기 위해서, 수소극에 수소를 계속적으로 공급하게 된다.
이때, 수소극에 공급된 수소는, 공기극 내부의 산소와 화학 반응하여 지속적으로 소모되고, 공기극 내부의 산소 농도는 21퍼센트 이하로 떨어지게 된다.
산소 농도가 감소되는 한편, 질소의 농도는 상대적으로 올라가, 일반적인 공기의 질소 농도인 79퍼센트 보다 증가 된다.
또한, 삼투압 현상으로 인하여, 질소는 전해질 막을 통해 상대적으로 질소 농도가 높은 공기극에서 상대적으로 질소 농도가 낮은 수소극으로 이동하게 된다.
이로 인하여, 수소극의 질소 농도는 아이들 스탑 진입 초기 보다 증가하게 되고, 결과적으로 수소극의 수소 농도는 감소하게 된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0059691호(2012.06.11.)
위와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은, 아이들 스탑 상태에서 수소극의 수소 농도 감소 속도를 완화하여 연료전지 시스템의 응답성을 향상시키는 연료전지 공기 유량 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예의 연료전지 공기 유량 제어 방법은, 연료전지의 드라이 현상을 억제하기 위해서 스택의 공기극으로의 공기 공급이 중단되는 아이들 스탑 상태에서, 주기적으로 공기극에 공기를 공급한다.
위와 같은 본 발명의 연료전지 공기 유량 제어 방법에 따르면, 아이들 스탑 상태에서 수소극의 수소 농도 감소 속도가 완화되는 효과가 있다.
또한, 수소극 수소 배출 횟수 감소에 의한 수소 이용률이 향상되고 궁극적으로 연비가 향상된다.
또한, 종래에 비하여 수소극의 수소 농도가 높은 상태로 장시간 유지되므로, 연료전지의 내구성이 향상된다.
또한, 수소극의 수소 농도가 높은 상태로 유지되고, 이에 따라 연료전지 전압 분포가 양호해져 연료전지 시스템의 운전 안정성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 연료전지 공기 유량 제어 방법의 절차도,
도 2는 도 1의 연료전지 공기 유량 제어 방법의 제어 블럭도,
도 3은 도 1의 연료전지 공기 유량 제어 방법에 따라 아이들 스탑 상태에서 연료전지로 공급되는 공기유량의 시간별 변화 그래프,
도 4는 도 1의 연료전지 공기 유량 제어 방법에 따라 아이들 스탑 상태에서 연료전지로 공급되는 공기유량 및 수소극 수소 농도 비교 그래프,
도 5는 종래 아이들 스탑 상태에서의 수소 농도와 도 1의 연료전지 공기 유량 제어 방법이 적용된 아이들 스탑 상태에서의 수소 농도 비교 그래프이다.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 공기 유량 제어 방법은, 연료전지의 드라이 현상을 억제하기 위해서 스택의 공기극(200)으로의 공기 공급이 중단되는 아이들 스탑 상태에서, 주기적으로 공기극(200)에 공기를 공급하는 것을 특징으로 한다(S300).
아이들 스탑 상태에서 공기극(200)으로 공급되는 공기는, 미리 정해진 시간 동안에, 미리 정해진 시간 간격으로, 미리 정해진 유량이 공급된다. 공급 시간, 간격, 유량은 연료전지 시스템의 특성 및 상태에 따라 변경이 가능하다(도 3 참조).
연료전지 시스템에 구비된 공기 공급 장치(100)를 통해 아이들 스탑 상태에서 주기적으로 공기극(200)으로 공기가 공급된다. 공기 공급 장치(100)는, 에어 블로워(AIR BLOWER), 매스 흐름제어기(MFC; MASS FLOW CONTROLLER), 팬(FAN), 압축기(COMPRESSOR) 중 어느 하나이다.
아이들 스탑 상태에서 주기적으로 공기극(200)으로 공기를 주입하게 되면, 공기극(200) 내부 질소 농도가 일반 공기 중 질소 농도인 79퍼센트에 근접하도록 유지되고, 종래 아이들 스탑 상태보다 감소하게 된다. 이에 따라 공기극(200)에서 수소극으로의 질소 이동이 감소하게 되고, 궁극적으로 수소극의 질소량이 일정하게 유지된다.
결과적으로, 공기극(200)으로 공기가 주기적으로 유입되므로, 공기극(200)에 존재하는 새로 공급된 산소와 수소가 화학 반응하여 수소의 농도가 감소하나, 질소의 농도가 변화되지 않으므로, 수소극의 수소 농도의 감소 속도가 완화된다(도 4 참조).
도 5에 도시된 바와 같이, 종래 특정 수소 농도까지 수소극의 수소농도가 감소하는 시간에 비하여 본 발명이 적용됨으로써, 특정 수소 농도까지 수소극의 수소동도가 감소하는 시간이 증대된 것을 확인할 수 있다.
본 발명이 적용됨으로써, 수소극의 수소 농도 감소 속도가 종래에 비해 느려지기 때문에, 일정 수소 농도를 유지하기 위해서 행하던 수소 배출 횟수를 줄일 수 있게 되고, 궁극적으로 연료전지 스택의 수소 이용률 및 효율이 향상된다. 또한, 종래에 비하여 수소극이 높은 수소 농도로 유지되므로, 연료전지 운전 안정성이 향상된다.
위와 같은 본 발명을 일실시예를 통하여 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다. 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 연료전지 공기 유량 제어 방법은, 연료전지의 드라이 현상을 억제하도록 공기극(200)으로의 공기 공급이 중단되는 아이들 스탑 진입 신호가 제어기(300)에서 발생되는 단계(S100)와, 연료전지 시스템에 구비된 공기 공급 장치(100)의 구동이 멈추는 단계(S200) 및, 공기 공급 장치(100)가 주기적으로 작동되며, 주기적으로 공기극(200)으로 공기를 공급하는 단계(S300)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예는, 연료전지 시스템에서 아이들 스탑 해제 신호가 발생되었는지 판단하는 단계(S400)를 더 포함한다. 또한, 아이들 스탑 해제 신호가 발생되면, 공기 공급 장치(100)가 재가동된다(S500).
공기 공급 장치(100)가 재가동되면, 공기극(200)으로 공급되는 공기의 유량을 측정하고, 측정된 공기의 유량이 연료전지 시스템에서 출력을 발생할 때 필요한 공기량인 필요 공기 유량 보다 큰지 판단하게 된다(S600).
측정된 공기의 유량이 필요 공기 유량보다 크면, 연료전지 시스템에서 출력을 발생하고, 구동모터, 전장품 등으로 전력을 인가하게 된다.
측정된 공기의 유량이 상기 필요 공기 유량보다 작으면, 스택의 공기극(200)으로 유입되는 공기의 유량을 증가시키게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 공기 공급 장치 200: 공기극 300: 제어기

Claims (10)

  1. 아이들 스탑 상태에서, 주기적으로 공기극에 공기를 공급하는, 연료전지 공기 유량 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    아이들 스탑 상태에서 상기 공기극으로 공급되는 공기는,
    미리 정해진 시간 동안에, 미리 정해진 시간 간격으로, 미리 정해진 유량이 공급되는, 연료전지 공기 유량 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템에 구비된 공기 공급 장치를 통해 상기 공기극으로 공기가 공급되는, 연료전지 공기 유량 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공기 공급 장치는,
    에어 블로워(AIR BLOWER), 매스 흐름제어기(MFC; MASS FLOW CONTROLLER), 팬(FAN), 압축기(COMPRESSOR) 중 어느 하나인, 연료전지 공기 유량 제어 방법.
  5. 아이들 스탑 진입 신호가 발생되는 단계;
    연료전지 시스템에 구비된 공기 공급 장치의 구동이 멈추는 단계; 및
    상기 공기 공급 장치가 주기적으로 작동되며, 주기적으로 공기극으로 공기를 공급하는 단계를 포함하는, 연료전지 공기 유량 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템에서 아이들 스탑 해제 신호가 발생되었는지 판단하는 단계를 더 포함하는, 연료전지 공기 유량 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 아이들 스탑 해제 신호가 발생되면, 상기 공기 공급 장치가 재가동되는, 연료전지 공기 유량 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공기 공급 장치가 재가동되면,
    상기 공기극으로 공급되는 공기의 유량을 측정하고,
    측정된 공기의 유량이 상기 연료전지 시스템에서 출력을 발생할 때 필요한 공기량인 필요 공기 유량 보다 큰지 판단하는, 연료전지 공기 유량 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 측정된 공기의 유량이 상기 필요 공기 유량보다 크면, 상기 연료전지 시스템에서 출력을 발생하기 시작하는, 연료전지 공기 유량 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 측정된 공기의 유량이 상기 필요 공기 유량보다 작으면, 상기 공기극으로 유입되는 공기의 유량을 증가시키는, 연료전지 공기 유량 제어 방법.
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