KR20160070278A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지 출구단으로부터 배출되는 공기를 공급받아 가압하여 연료전지 입구단으로 공급하는 터보차저; 연료전지 출구단으로부터 배출되는 공기 중 상기 터보차저로 공급되는 공기의 양을 조절하고, 터보차저로부터 공급되는 공기의 압력을 조절하기 위해 상기 터보차저의 입구단과 출구단에 각각 마련된 복수의 밸브들; 및 연료전지에 요구되는 공기압력을 산출하여, 산출된 요구 압력에 따라 밸브들의 개도를 조정하는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 시스템 {Fuel cell system}
본 발명은 터보차저를 이용한 가압형 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 크게 상압형 및 가압형으로 나뉜다. 특히, 가압형 연료전지 시스템은 환원극(cathode)에 상압보다 높은 압력의 공기를 공급하기 위해 컴프레서(Compressor)를 사용하고 있고, 연료전지 스택을 통과하고 나오는 가스 배관에 별도의 압력 제어 장치 즉, 배압밸브를 장착하여 스택의 압력형성을 도움으로써 연료전지 스택의 드라이 아웃(Dry-out)현상을 방지한다.
이와 같은 연료전지 가압시스템에 있어서, 스택의 운전 압력이 가변적으로 변동될 경우 공급되는 가스들은 연료전지 스택의 출력에 비례하여 증가하게 되는데, 이때 가스의 유량을 측정하거나 출력을 측정하고, 측정된 전기적 제어신호를 제어기를 통해 압력 제어장치에 보내줌으로써, 압력 제어장치에 의하여 스택의 운전압력이 적정 수준을 유지하게 된다.
하지만, 배압밸브를 통한 차압 형성은 공기 압축기에 부담으로 작용하여 시스템 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
US 2011-0097632 A1
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 출구단 측에 터보차저를 장착하여 연료전지 배압을 형성하고, 밸브를 이용하여 연료전시에 공급되는 공기의 압력제어가 가능하도록 마련된 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 출구단으로부터 배출되는 공기를 공급받아 가압하여 연료전지 입구단으로 공급하는 터보차저; 상기 연료전지 출구단으로부터 배출되는 공기 중 상기 터보차저로 공급되는 공기의 양을 조절하고, 상기 터보차저로부터 연료전지 입구단으로 공급되는 공기 압력을 조절하기 위해 상기 터보차저의 입구단과 출구단에 각각 마련된 복수의 밸브들; 및 상기 연료전지에 요구되는 공기압력을 산출하여, 산출된 공기압력에 따라 상기 밸브들의 개도를 조정하는 제어기를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 입구단으로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 공기압축기를 더 포함하고, 상기 터보차저에서 가압된 공기는 상기 공기압축기의 입구단으로 공급될 수 있다.
상기 연료전지 출구단으로부터 배출되는 공기를 가습하여 배출하는 가습기를 더 포함하고, 상기 가습기로부터 배출되는 공기의 일부분이 상기 터보차저로 공급될 수 있다.
상기 복수의 밸브들은 상기 연료전지의 출구단과 상기 터보차저의 입구단 사이에 배치된 제1 밸브; 및 상기 연료전지의 입구단과 상기 터보차저의 출구단 사이에 배치된 제2 밸브를 포함할 수 있다.
상기 제1 밸브는 상기 연료전지 출구단으로부터 배출되는 공기 중 외부로 배출되는 공기와 상기 터보차저로 공급되는 공기의 양을 조절하는 3-way 밸브일 수 있다.
상기 제어기는 연료전지의 내부압력에 기반하여 상기 연료전지에 요구되는 압력을 산출할 수 있다.
상기 제어기는 산출된 공기압력의 크기에 따라 1차적으로 상기 터보차저로 공급되는 공기의 양을 조절하고, 2차적으로 상기 터보차저로부터 공급되는 공기의 압력을 조절할 수 있다.
상기 제어기는 산출된 공기압력의 크기에 따라 먼저 제1 밸브의 개도를 조정하되, 상기 요구 압력의 크기가 클수록 상기 연료전지 출구단으로부터 배출되는 공기 중 상기 터보차저로 공급되는 공기의 양을 증가하도록 개도를 조정할 수 있다.
상기 제어기는 산출된 공기압력의 크기에 따라 상기 제2 밸브의 개도를 조정하되, 상기 요구 압력의 크기가 클수록 상기 제2 밸브의 개도를 줄이는 것을 특징으로 할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지 시스템에 따르면, 연료전지로부터 외부로 배출되던 배기공기를 연료전지로 회수하여 연료전지의 차압을 형성함으로써 별도의 공기공급장치를 추가하지 않더라도 발명을 구현할 수 있다.
또한, 터보차저로부터 공급된 공기가 공기압축기의 입구단 압력을 상승시킴으로써 공기압축기의 차압 및 유량 형성에 도움을 주어 공기압축기의 부담을 줄일 수 있다.
또한, 터보차저의 입구단 및 출구단 측에 복수의 밸브들을 마련함으로써 연료전지 압력제어의 정밀성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 밸브 제어에 따른 공기압축기의 압력 및 유량 성능을 도시한 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 시스템에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 밸브 제어에 따른 공기압축기의 압력 및 유량 성능을 도시한 그래프이다. 도 1 내지 도 2를 참조하면, 연료전지 시스템은 연료전지(110) 출구단으로부터 배출되는 공기를 공급받아 가압하여 연료전지(110) 입구단으로 공급하는 터보차저(120); 상기 연료전지(110) 출구단으로부터 배출되는 공기 중 상기 터보차저(120)로부터 공급되는 공기의 양을 조절하고, 상기 터보차저(120)로부터 연료전지(110) 입구단으로 공급되는 공기의 압력을 조절하기 위해 상기 터보차저(120)의 입구단과 출구단에 각각 마련된 복수의 밸브들(130); 및 상기 연료전지(110)에 요구되는 공기압력을 산출하여, 산출된 공기압력에 따라 상기 밸브들(130)의 개도를 조정하는 제어기(180)를 포함할 수 있다.
종래에 터보차저(120)는 연료전지(110)의 공기 출구단으로부터 외부로 배출되던 배기공기를 공급받아 터빈을 돌린 후, 이 회전력을 이용하여 흡입하는 공기를 강한 압력으로 출력하도록 마련된다. 이렇게 가압된 공기를 연료전지(110)로 공급함으로써 연료전지(110)의 운전온도 상승과 습도 유지를 위한 차압을 형성시키는 가압형 스택을 구현할 수 있다.
특히, 연료전지(110)로부터 터보차저(120)로 배출되는 공기의 양을 제어하고, 다시 터보차저(120)로부터 연료전지(110)로 공급되는 가압공기의 배출압력을 제어하는 복수의 밸브들(130)이 마련됨으로써, 밸브들(130)의 개도 제어를 통해 연료전지(110)가 요구하는 만큼의 공기압력을 정확하게 형성시킬 수 있다.
본 발명은 연료전지(110) 입구단으로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 공기압축기(140)를 더 포함하고, 터보차저(120)에서 가압된 공기는 상기 공기압축기(140)의 입구단으로 공급될 수 있으며, 상기 연료전지(110) 출구단으로부터 배출되는 공기를 가습하여 배출하는 가습기(150)를 더 포함하고, 가습기(150)로부터 배출되는 공기의 일부분이 상기 터보차저(120)로 공급될 수 있다.
종래에는 연료전지로 공기의 압력을 제어하는 배압밸브와 공기압축기가 마련되었으나, 배압밸브를 이용한 압력제어는 공기압축기에 과도한 부담으로 작용하여 시스템 효율을 저하시켰다.
반면, 본 발명은 연료전지(110)로부터 배기되는 공기가 연료전지(110) 공급공기로 합류되기 때문에 공기압축기(140)의 공기공급유량 및 배압 형성에 기여하여 배압밸브를 사용하던 종래의 기술에 비해 시스템 효율을 개선시킬 수 있다. 또한, 터보차저(120)로부터 가압된 상태로 공급된 공기가 공기압축기(140) 입구단 압력을 상승시킴으로써, 공기압축기(140)의 차압 형성에 기여하여 공기압축기(140)의 부담을 줄이고 시스템 효율을 개선시킬 수 있다. 이때, 공기압축기(140)는 연료전지(110)의 출력이 더 필요한 경우 회전속도를 증가시킴으로써 연료전지로 공급되는 공기의 유량을 증가시킬 수 있다.
복수의 밸브들(130)은 상기 연료전지(110)의 출구단과 상기 터보차저(120)의 입구단 사이에 배치된 제1 밸브(133); 및 상기 연료전지(110)의 입구단과 상기 터보차저(120)의 출구단 사이에 배치된 제2 밸브(135)를 포함할 수 있고, 제1 밸브(133)는 상기 연료전지(110)의 출구단으로부터 배출되는 공기 중 외부로 배출되는 공기와 상기 터보차저(120)로 공급되는 공기의 양을 조절하는 3-way 밸브일 수 있다.
즉, 제1 밸브(133)는 연료전지(110)의 상압운전이 요구되는 경우, 제어기(180)에 의해 연료전지(110)로부터 공급되는 공기가 모두 외부로 배출되도록 개도 제어될 수 있다. 반대로 제1 밸브(133)는 연료전지(110)의 가압운전이 요구되는 경우, 제어기(180)에 의해 연료전지(110)로부터 공급되는 공기를 모두 터보차저(120)로 공급되도록 개도가 제어될 수 있다. 또한, 제2 밸브(135)는 터보차저(120)로부터 가압된 공기를 연료전지(110)가 요구하는 가압공기의 압력에 따라 공급되도록 마련된 것으로 제어기(180)에 의해 개도가 제어될 수 있다.
이러한 구성에 의하면 복수의 밸브들(130)의 개도에 따라 연료전지(110) 내부로 공급되는 공기의 압력을 향상시킬 수 있어 공기압축기(140)의 부담을 줄일 수 있다.
본 발명의 제어기(180)는 연료전지(110)의 내부압력에 기반하여 상기 연료전지(110)에 요구되는 압력을 산출할 수 있다.
일반적으로 연료전지(110)의 내부습도가 낮으면 드라이-아웃(Dry-Out)현상이 악화되는데 이러한 연료전지(110)의 습도는 연료전지(110)의 내부압력과 밀접한 연관성이 있다. 즉, 연료전지(110)의 내부압력을 적정하게 유지함으로써 연료전지(110)의 드라이-아웃(Dry-out)현상을 방지할 수 있다.
이에 본 발명의 제어기(180)는 해당 연료전지(110)의 내부습도에 따른 내부압력에 매칭되는 공기 요구압력을 산출하고, 산출된 요구압력에 따라 복수의 밸브들(130)의 개도를 조정함으로써 연료전지(110)의 적정한 내부압력을 유지시킬 수 있다. 만약 개도 조정으로 연료전지 출력을 구현할 수 없다면 공기압축기(140)의 회전속도를 증가시켜 연료전지(110)에 공급되는 공기의 유량을 증가시킴으로 원하는 공기압력을 연료전지(110)로 공급할 수 있다.
이때, 제어기(180)는 산출된 공기압력의 크기에 따라 1차적으로 상기 터보차저(120)로 공급되는 공기의 양을 조정하고, 2차적으로 상기 터보차저(120)로부터 연료전지(110) 입구단으로 공급되는 공기의 압력을 조정할 수 있다.
구체적으로, 제어기(180)는 산출된 공기압력의 크기에 따라 먼저 제1 밸브(133)의 개도를 조정하되, 상기 산출된 공기압력의 크기가 클수록 상기 연료전지(110) 출구단으로부터 배출되는 공기 중 상기 터보차저(120)로 공급되는 공기의 양을 증가시킬 수 있고, 산출된 공기압력의 크기에 따라 상기 제2 밸브(135)의 개도를 조정하되, 상기 산출된 공기압력의 크기가 클수록 상기 제2 밸브(135)의 개도를 줄이는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 연료전지(110) 출구단으로부터 배출되는 공기가 모두 외부로 배출되는 경우에는 연료전지(110)의 상압운전 상황으로 공기압축기(140)의 유량 대비 압력의 증가폭이 크지 않다. 만약, 연료전지(110)에 가압이 필요하면 복수의 밸브들(133,135)의 개도를 조정하는데, 예컨대 연료전지(110) 출구단으로부터 배출되는 공기가 모두 터보차저(120)로 공급되도록 제1 밸브(133)의 개도를 조절할 수 있다. 결과적으로 공기압축기(140)의 유량 대비 압력값이 증가함을 도 2를 통해 알 수 있다.
만약, 제1 밸브(133)의 개도가 연료전지(110) 출구단으로부터 배출되는 공기를 모두 터보차저(120)로 공급하도록 조정된 상태라면 제2 밸브(135)의 개도가 줄어듦에 따라 공기압축기(140)의 유량 대비 압력값이 증가하여 점차 서지라인에 해당하는 유량 대비 압력 곡선에 수렴하게 된다.
이때, 연료전지(110) 입구단에 공급되는 공기의 유량은 공기압축기(140)의 회전속도에 따라 증가 또는 감소하게 되는데, 제1 밸브(133)와 제2 밸브(135)의 개도 조정으로도 연료전지(110)가 요구하는 공기압력을 구현할 수 없는 경우에 공기압축기(140)의 회전속도를 증가시킴으로써 연료전지(110)에 요구되는 압력의 공기를 제공할 수 있다.
본 발명은 최대 서지라인의 유량 대비 압력값 곡선에 해당할 때까지 제1 밸브(133)와 제2 밸브(135)가 개도 제어되도록 설계하고, 그보다 높은 유량 대비 압력값을 가지지 않도록 설계함으로써 연료전지 시스템의 고장을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지 시스템에 따르면, 연료전지로부터 외부로 배출되던 배기공기를 연료전지로 회수하여 연료전지의 차압을 형성함으로써 별도의 공기공급장치를 추가하지 않더라도 발명을 구현할 수 있다.
또한, 터보차저로부터 공급된 공기가 공기압축기의 입구단 압력을 상승시킴으로써 공기압축기의 차압 및 유량 형성에 도움을 주어 공기압축기의 부담을 줄일 수 있다.
또한, 터보차저의 입구단 및 출구단 측에 복수의 밸브들을 마련함으로써 연료전지 압력제어의 정밀성이 향상될 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
110: 연료전지 120: 터보차저
130: 복수의 밸브들 133: 제1 밸브
135: 제2 밸브 140: 공기압축기
150: 가습기 160: 구동모터
170: 보기류 180: 제어기

Claims (9)

  1. 연료전지 출구단으로부터 배출되는 공기를 공급받아 가압하여 연료전지 입구단으로 공급하는 터보차저;
    상기 연료전지 출구단으로부터 배출되는 공기 중 상기 터보차저로 공급되는 공기의 양을 조절하고, 상기 터보차저로부터 연료전지 입구단으로 공급되는 공기 압력을 조절하기 위해 상기 터보차저의 입구단과 출구단에 각각 마련된 복수의 밸브들; 및
    상기 연료전지에 요구되는 공기압력을 산출하여, 산출된 공기압력에 따라 상기 밸브들의 개도를 조정하는 제어기를 포함하는,
    연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 입구단으로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 공기압축기를 더 포함하고,
    상기 터보차저에서 가압된 공기는 상기 공기압축기의 입구단으로 공급되는,
    연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 출구단으로부터 배출되는 공기를 가습하여 배출하는 가습기를 더 포함하고,
    상기 가습기로부터 배출되는 공기의 일부분이 상기 터보차저로 공급되는,
    연료전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 밸브들은 상기 연료전지의 출구단과 상기 터보차저의 입구단 사이에 배치된 제1 밸브; 및 상기 연료전지의 입구단과 상기 터보차저의 출구단 사이에 배치된 제2 밸브를 포함하는,
    연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 밸브는 상기 연료전지 출구단으로부터 배출되는 공기 중 외부로 배출되는 공기와 상기 터보차저로 공급되는 공기의 양을 조절하는 3-way 밸브인,
    연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 연료전지의 내부압력에 기반하여 상기 연료전지에 요구되는 공기압력을 산출하는,
    연료전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 산출된 공기압력의 크기에 따라 1차적으로 상기 터보차저로 공급되는 공기의 양을 조절하고, 2차적으로 터보차저로부터 연료전지 입구단으로 공급되는 공기 압력을 조절하는,
    연료전지 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제어기는 산출된 공기압력의 크기에 따라 먼저 제1 밸브의 개도를 조정하되, 상기 산출된 공기압력의 크기가 클수록 상기 연료전지 출구단으로부터 배출되는 공기 중 상기 터보차저로 공급되는 공기의 양을 증가하도록 개도를 조정하는,
    연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어기는 산출된 요구 압력의 크기에 따라 상기 제2 밸브의 개도를 조정하되, 상기 산출된 공기압력의 크기가 클수록 상기 제2 밸브의 개도를 줄이는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템.
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