KR20190127376A - 연료전지 시스템 및 그의 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 전해질막 및 전해질막의 양측에 배치되는 한 쌍의 전극인 캐소드 전극과 애노드 전극을 구비하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택을 기동시킬 수소가 애노드 전극으로 공급되기 전에, 연료전지 스택의 캐소드 전극과 애노드 전극에 대한 전압의 인가 여부를 제어하는 제어부를 포함하고, 캐소드 전극과 애노드 전극에 전압이 인가되면, 캐소드 전극에 잔류하던 수소가 전해질막을 통해서 애노드 전극으로 이동한다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지의 구동이 개시되기 전 캐소드 전극의 수소농도를 감소시켜, 차량 외부로 배출되는 수소농도를 저감시킬 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지의 구동이 개시되기 전 캐소드 전극의 수소농도를 감소시켜, 차량 외부로 배출되는 수소농도를 저감시킬 수 있다.
Description
본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 구동 초기에 연료전지에서 배출되는 수소의 농도를 저감하기 위한 연료전지 시스템 및 그의 제어방법이다.
연료전지 시스템에는 전해질막 및 한 쌍의 전극을 갖는 연료전지 스택이 채용된다. 연료전지 시스템의 기동 중에는 캐소드 전극으로 공기가 공급되고, 애노드 전극으로 수소가 공급된다.
그런데 시스템의 정지 후에 시스템의 내부에 공기가 잔류하게 되면, 공기 중의 산소에 의해 탄소 부식(carbon corrosion)이 발생할 수 있다. 이는 연료전지 스택의 내구성을 저하시키는 것이기 때문에 바람직하지 않다. 그리고 시스템의 정지 후에 시스템의 내부에 수소가 너무 많이 잔류하게 되면, 시스템의 재기동 시에 배출되는 가스들 중의 수소의 농도가 너무 높아져서, 화재나 폭발의 위험성이 증가할 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 시스템의 정지 시에 시스템의 내부에 잔류하게 되는 산소의 농도를 저감하고, 시스템의 기동시 배출되는 수소의 농도를 저감시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 전해질막 및 상기 전해질막의 양측에 배치되는 한 쌍의 전극인 캐소드 전극과 애노드 전극을 구비하는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택을 기동시킬 수소가 상기 애노드 전극으로 공급되기 전에, 상기 연료전지 스택의 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 대한 전압의 인가 여부를 제어하는 제어부를 포함한다. 이때, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 전압이 인가되면, 상기 캐소드 전극에 잔류하던 수소가 상기 전해질막을 통해서 상기 애노드 전극으로 이동하여, 상기 캐소드 전극의 수소농도가 감소하게 된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 연료전지 스택의 캐소드 전극에 잔류하는 수소를 애노드 전극으로 이동시키기 위해, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 전압을 인가하는 단계와, 상기 연료전지 스택을 기동시키기 위해, 상기 연료전지 스택에 수소를 포함하는 연료를 공급하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량은, 전해질막 및 상기 전해질막의 양측에 배치되는 한 쌍의 전극인 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택을 기동시킬 수소가 상기 애노드 전극으로 공급되기 전에 상기 캐소드 전극의 수소농도를 감소시키기 위해, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 대한 전압의 인가를 제어하는 제어부를 포함한다. 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 전압이 인가되면, 상기 캐소드 전극에 잔류하던 수소가 상기 전해질막을 통해서 상기 애노드 전극으로 이동하게 된다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택을 기동시킬 수소가 애노드 전극으로 공급되기 전에 캐소드 전극과 애노드 전극에 전압을 인가하는 방법 등을 통해, 캐소드 전극에 잔류하던 수소를 전해질막을 통해서 애노드 전극으로 이동시킴으로써 캐소드 전극의 수소농도를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1 은 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템의 개념도이다.
도 2는 도 1의 연료전지 시스템에서 연료전지 스택의 캐소드 전극에 잔류하는 수소를 애노드 전극으로 이동시키기 위해 캐소드 전극과 애노드 전극에 전압을 인가할 때를 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템에서 캐소드 전극과 애노드 전극에 전압을 인가할 때를 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타내는 제어순서도이다.
도 5는 도 4의 연료전지 스택에 인가할 전압을 설정하는 단계(S1200)를 설명하기 위한 제어순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 시스템에서의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 연료전지 구동 정지 후 잔존수소농도에 관한 그래프이다.
도 8은 수소 펌핑량에 따른 인가전압에 관한 그래프이다.
도 2는 도 1의 연료전지 시스템에서 연료전지 스택의 캐소드 전극에 잔류하는 수소를 애노드 전극으로 이동시키기 위해 캐소드 전극과 애노드 전극에 전압을 인가할 때를 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템에서 캐소드 전극과 애노드 전극에 전압을 인가할 때를 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타내는 제어순서도이다.
도 5는 도 4의 연료전지 스택에 인가할 전압을 설정하는 단계(S1200)를 설명하기 위한 제어순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 시스템에서의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 연료전지 구동 정지 후 잔존수소농도에 관한 그래프이다.
도 8은 수소 펌핑량에 따른 인가전압에 관한 그래프이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 은 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템의 개념도이고, 도 2는 도 1의 연료전지 시스템에서 연료전지 스택의 캐소드 전극에 잔류하는 수소를 애노드 전극으로 이동시키기 위해 캐소드 전극과 애노드 전극에 전압을 인가할 때를 나타내는 개념도이다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소를 포함하는 연료를 공급받아 기동하는 연료전지 스택(100), 충방전이 가능한 에너지 저장장치(200), 제어부(300), 연료전지 시스템 내부의 구성 간의 연결을 단속하는 릴레이(410, 420)를 포함한다.
연료전지 스택(100)은 전해질막(미도시), 전해질막의 양측에 배치되는 한 쌍의 전극인 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)을 구비한다.
연료전지 시스템의 기동 중에는 연료전지 스택(100)의 캐소드 전극(110)으로 산소를 포함한 공기가 공급되고, 연료전지 스택(100)의 애노드 전극(120)으로 수소가 공급된다.
연료전지 시스템의 정지 시에는 밸브들에 의해 캐소드 전극(110)으로 공기를 공급하는 공기 공급라인(미도시)과 애노드 전극(120)으로 수소를 공급하는 수소 공급라인(미도시)을 폐쇄할 수 있다. 또한, 캐소드 전극(110)으로부터 공기 또는 수소가 배출되는 캐소드 배출라인(미도시)과 애노드 전극(120)으로부터 공기 또는 수소가 배출되는 애노드 배출라인(미도시)을 밸브들에 의해 폐쇄할 수 있다. 이와 같은 폐쇄는 공기나 수소를 연료전지 시스템(보다 구체적으로는, 연료전지 스택)의 내부에 잔류시킬 수 있다.
그런데 시스템의 내부에 공기가 잔류하게 되면, 공기 중의 산소에 의해 탄소 부식(carbon corrosion)이 발생할 수 있다. 막전극접합체의 촉매 담체로서 널리 사용되는 탄소는 시동 초기 등의 환경에서 산소에 의해 부식될 수 있다. 이는 연료전지 스택의 내구성을 저하시키는 것이기 때문에 바람직하지 않다. 이를 막기 위해 시스템의 정지 시에 COD(Cathode Oxygen Depletion)을 작동시켜, 애노드 전극(120)의 수소를 통해 캐소드 전극(110)의 산소를 제거하기도 한다.
한편, 시스템 내부에 잔류하는 공기의 농도를 낮추기 위해, 연료전지 시스템의 기동을 중단시키기 전 공기의 공급은 중단하고 연료전지 스택 내부로 수소를 더 투입시키기도 한다.
그러나, 시스템의 내부에 수소가 너무 많이 잔류하게 되면, 시스템의 재기동 시에 배출되는 가스들 중의 수소의 농도가 너무 높아져서, 화재나 폭발의 위험성이 증가할 수 있다. 연료전지 차량의 경우, 안전성의 확보를 위해 배기가스 중의 수소의 농도가 법적으로 일정 농도 이하로 규제되기도 한다.
후술할 도 7을 참조하여 연료전지 시스템의 구동이 정지된 후 애노드 전극과 캐소드 전극에 잔존하는 수소농도를 간단히 설명하면, 연료전지 시스템이 구동이 정지되고 일정 시간이 지나면 애노드 전극의 수소가 캐소드 전극으로 확산되어 양 전극에서 수소 농도가 비슷하게된다. 따라서, 이와 같이 캐소드 전극의 수소농도가 높은 상태에서 연료전지 시스템이 재기동되면, 캐소드 전극에 연결된 배출라인을 통해 수소가 시스템 외부로 배출될 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 산소의 잔류나 수소의 과다 잔류로 인한 문제들의 발생을 미리 방지하는 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 시스템의 정지 시에 시스템의 내부에 잔류하게 되는 산소의 농도를 저감하고, 시스템의 기동 시에 배출되는 수소의 농도를 저감함으로써, 위의 문제들의 발생을 예방하는 기술에 관한 것이다. 특히, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 위와 같은 기술을 구현하기 위해, 연료전지 스택을 기동시키기 위해 수소가 공급되기 전, 캐소드 전극과 애노드 전극에 전압을 인가하여 캐소드 전극의 수소농도가 감소되도록 한 것에 기본적인 특징이 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템의 특징을 이하에서 보다 상술한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 실시예에 따른 연료전지 시스템이 기동중인 상태를 설명하기로 한다.
애노드 전극(120)으로 수소가 공급되고 캐소드 전극으로 산소를 포함하는 공기가 공급되며 연료전지 시스템이 기동되면, 연료전지 스택(100)에서 전력이 생성된다. 이때, 전류는 캐소드 전극(110)에서 나와 애노드 전극(120)을 향하여 흐르게 된다.
양방향컨버터(bidirectional high-voltage DC-DC convertor, BHDC)(510)는 연료전지 스택(100)과 고전압배터리(210)간 전류이동 방향을 제어하기 위하여 연료전지 출력단의 전압을 조정할 수 있다.
예를 들면, 양방향컨버터(510)는 연료전지 출력단의 전압을 연료전지 스택(100)과 양방향컨버터(510) 사이의 고전압버스단의 전압보다 낮게 조정하여 고전압배터리(210)가 충전되도록 할 수 있다. 반대로 양방향컨버터(510)는 연료전지 출력단의 전압을 연료전지 스택(100)과 양방향컨버터(510)의 고전압버스단의 전압보다 높게 조정하여 고전압배터리(210)가 방전되도록 할 수 있다. 여기서 양방향컨버터(510)의 고전압버스단 전압은 연료전지차량의 구동모터(610)의 파워에 따른 전압을 의미하며 구동모터(610)가 파워를 필요로 하는 경우에는 고전압버스단 전압이 내려가며, 반대로 회생제동의 경우에는 고전압버스단 전압이 상승될 수 있다.
구동모터(610)는 인버터(620)를 통하여 고전압배터리(210)나 연료전지 스택(100)으로부터 전원을 공급받을 수 있다. 인버터(620)는 차량의 제어부로부터 제어신호를 제공받아 구동모터(610)를 제어할 수 있다.
저전압배터리(220)는 LDC(low-voltage DC-DC convertor)(520)를 통하여 연료전지 스택(100)으로부터 전원을 공급받아 충전될 수 있다.
릴레이(410, 420)는 연료전지 스택(100)이 기동할 시 LDC와 저전압배터리(220)를 연결되도록, 제어부(300)에 의해 제어될 수 있다.
복수의 다이오드(710, 720)은 전류의 흐름을 일 방향으로 제한하기 위하여 회로 상의 복수 지점에 연결될 수 있다.
위와 같이 연료전지 시스템이 기동중인 상태에서는, 연료전지 스택(100)에서 전력이 생성되어 고전압배터리(210)와 저전압배터리(220)가 충전될 수 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 연료전지 스택을 기동시키기 전에 수소를 펌핑하는 과정에 대하여 설명하기로 한다.
제어부(300)는 연료전지 시스템의 기동이 시작되기 전 캐소드 전극(110)의 수소농도를 저감시키기 위해, 고전압배터리(210)를 이용하여 연료전지 스택(100)의 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)에 전압이 인가되도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(300)는 연료전지 스택(100)의 출력단과 양방향컨버터(510) 사이의 연결을 단속하는 스위치가 개방되게 제어하고, 연료전지 스택(100)과 LDC(520)가 연결되도록 릴레이(410, 420)를 제어할 수 있다.
고전압배터리(210)에서 출력되는 고전압은 LDC(520)에 의해 저전압으로 변환되어, 캐소드 전극(110)에는 양(+)의 전압으로 인가되고, 애노드 전극(120)에는 음(-)의 전압으로 인가될 수 있다.
제어부(300)는 기 설정된 시간동안 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)에 전압을 인가한 후, 도 1과 같이 연료전지 시스템이 기동하며 생성된 전력이 고전압배터리(210) 등에 공급될 수 있도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(300)는 연료전지 스택(100)의 출력단과 양방향컨버터(510) 사이의 연결을 단속하는 스위치가 폐쇄되게 제어하고, LDC(520)와 저전압배터리(220)가 연결되도록 릴레이(410, 420)를 제어할 수 있다.
제어부(300)는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
도 6을 참조하여 도 2와 같이 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)에 전압이 인가될 시 연료전지 스택(100) 내부의 작용을 설명하기로 한다.
캐소드 전극(110)에서는 수소가 전자를 빼앗기고 양이온화 되어 전해질막을 통해서 애노드 전극(120)으로 이동하게 된다. 애노드 전극(120)에서는 양이온화된 수소가 전자를 얻어 수소분자가 생성된다. 이와 같은 수소펌핑작용에 의해, 캐소드 전극(110)의 수소가 애노드 전극으로 이동하게 되어, 캐소드 전극(110)의 수소농도가 감소되게 된다.
이를 통해, 연료전지 시스템 기동 초기에 캐소드 전극(110)과 연결되는 캐소드 배출관로를 통해 연료전지 시스템 외부로 수소가 과도하게 배출되는 것을 방지하여, 차량의 안전성을 확보할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템에서 연료전지 스택의 캐소드 전극에 잔류하는 수소를 애노드 전극으로 이동시키기 위해 캐소드 전극과 애노드 전극에 전압을 인가할 때를 나타내는 개념도이다.
도 3을 참조하면 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템은 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템의 구성에 저전압배터리(220)와 연료전지 스택(100) 사이에 연결되는 DC컨버터(540)를 더 포함할 수 있다.
제어부(300)는 연료전지 스택(100)을 기동시킬 수소가 애노드 전극(120)으로 공급되기 전에, 연료전지 스택(100)의 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)에 대한 전압에 인가를 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(300)는 연료전지 스택(100)의 출력단과 양방향컨버터(510) 사이의 연결을 단속하는 스위치가 개방되게 제어하고, 저전압배터리(220)와 DC컨버터(540)가 연결되도록 릴레이(410, 420)를 제어할 수 있다.
저전압배터리(220)에서 출력되는 고전압은 DC컨버터(540)에 의해 저전압으로 변환되어, 캐소드 전극(110)에는 양(+)의 전압으로 인가되고, 애노드 전극(120)에는 음(-)의 전압으로 인가될 수 있다.
제어부(300)는 기 설정된 시간동안 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)에 전압을 인가한 후, 연료전지 시스템이 기동하며 생성된 전력이 고전압배터리(210) 등에 공급될 수 있도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(300)는 연료전지 스택(100)의 출력단과 양방향컨버터(510) 사이의 연결을 단속하는 스위치가 폐쇄되게 제어하고, LDC(520)와 저전압배터리(220)가 연결되도록 릴레이(410, 420)를 제어할 수 있다.
이와 같이 구성되는 실시예 2에 따른 연료전지 시스템을 이용하면, 고전압배터리(210) 대신 저전압배터리(220)을 이용하여 연료전지 스택(100)의 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)에 전압을 인가함으로써, 전압강하에 따른 전력손실을 줄일 수 있다. 즉, 고전압배터리(210)에서 공급되는 전압을 연료전지 스택(100)에 인가하기 위해서는 전압을 크게 감소시켜야 하지만, 저전압배터리(220)에서 공급되는 전압을 연료전지 스택(100)에 인가하기 위해서는 상대적으로 전압을 적게 감소시킬 수 있다.
예를 들면, 고전압배터리(210)의 경우 전압이 높게는 250V에 이르나, 저전압배터리(220)의 경우 일반적으로 차량에 구비되는 보조배터리인 12V 전압으로 구성될 수 있다.
한편, 저전압배터리(220)에서 제공되는 전압은 12V전장품(530)에 의해 12V로 일정하게 유지될 수 있다. 또는, 12V전장품(530)은 저전압배터리(220)의 공급전압을 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타내는 제어순서도이고, 도 5는 도 4의 연료전지 스택에 인가할 전압을 설정하는 단계(S1200)를 설명하기 위한 제어순서도이다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 상세하게 설명하기로 한다.
제어부(300)는 연료전지 시스템의 기동이 중단된 시점으로부터 연료전지 시스템이 재기동된 시점까지의 경과시간에 기초하여, 연료전지 스택(100)에 전압을 인가할지 여부를 판단할 수 있다(S1100).
제어부(300)는, 경과시간이 기 설정된 설정된 임계시간 미만인 경우, 연료전지 스택에 전압을 인가하기 위한 제어를 수행할 수 있다. 예를 들면, 임계시간은 76시간일 수 있다.
도 7을 참조하면 연료전지 시스템 내부에 잔존하는 수소농도는 연료전지 시스템의 기동이 중단된 후 시간이 경과함에 따라 감소되는 것을 확인할 수 있다. 이때, 연료전지 구동 정지 후 76시간이 경과하면 캐소드 전극(또는 공기극) 내의 잔존수소농도는 4% 이하로 내려갈 수 있다.
제어부(300)는 연료전지 스택(100)에 인가할 전압을 설정할 수 있다(S1200). 즉, 제어부(300)는 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)에 인가할 전압을 설정할 수 있다.
제어부(300)는 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)에 인가되는 전압차가 수전해(electrolysis of water)가 발생하는 최소전압 미만이 되도록, 연료전지 스택에 인가할 전압을 설정할 수 있다.
캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)에 인가되는 전압차가 수전해(electrolysis of water)가 발생하는 최소전압(이론적으로는 1.23V) 이상이 되면, 캐소드 전극(110) 내에서 수전해가 발생하여 산소와 수소의 농도가 높아질 수 있다.
도 5를 참조하면, 제어부(300)는 연료전지 스택에 인가할 전압을 설정하기 위해, 먼저 캐소드 전극의 수소농도를 판단할 수 있다(S1210).
제어부(300)는 캐소드 전극(110) 내의 수소농도를 직접 측정하는 수소농도 측정기(미도시)로부터 수소농도에 관한 정보를 획득할 수 있다. 또는, 제어부(300)는 캐소드 전극(110) 내의 수소농도를 추정하거나, 수소농도 추정기로부터 수소농도에 관한 정보를 획득할 수 있다.
제어부(300)는 연료전지 시스템의 구동이 중단된 시점으로부터 연료전지 시스템이 재기동된 시점까지의 경과시간에 기초하여, 캐소드 전극(110)의 수소농도를 판단할 수 있다.
예를 들면, 제어부(300)는 메모리(미도시)에 저장된 경과시간에 따른 수소농도 테이블에 기초하여 캐소드 전극(110)의 수소농도를 추정할 수 있다. 경과시간에 따른 수소농도 테이블은 도 7에 도시된 그래프와 같이 나타날 수 있다.
다음, 제어부(300)는 캐소드 전극(110)의 목표 수소농도, 전압을 인가하기 전의 캐소드 전극(110)의 수소농도, 및 캐소드 전극(110)의 부피에 기초하여, 캐소드 전극(110)으로부터 애노드 전극(120)으로 이동할 이동 수소량을 판단할 수 있다(S1220).
이동 수소량은 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)에 전압을 인가하여, 캐소드 전극(110)으로부터 전해질막을 통해 애노드 전극(120)으로 이동시키고자 하는 수소량으로 정의될 수 있다.
이동 수소량은 아래와 같이 식 1로써 구할 수 있다.
예를 들면, 전압을 인가하기 전의 캐소드 전극(110)의 수소농도가 30%이고, 목표 수소농도가 5%이고, 캐소드 전극(110)의 부피가 4L인 경우, 이동 수소량은 식 1에 따라 1L로 계산될 수 있다.
다음, 제어부(300)는, 계산된 이동 수소량과 기 저장된 이동 수소량-인가전압 테이블에 기초하여, 연료전지 스택(100)에 인가할 전압을 설정할 수 있다(S1230).
이동 수소량-인가전압 테이블은 실험적으로 구해질 수 있으며, 인가전압은 이동 수소량(또는 수소펌핑량)과 연료전지 스택(100) 내의 셀 수, 전압을 인가하는 시간에 따라 바뀔 수 있다.
도 8은 연료전지 스택(100) 내의 셀 수가 440개이고 전압을 인가하는 시간이 1초일 경우에 수소펌핑량(litter per second, LPS)에 따른 인가전압(V)를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 인가전압은 수소펌핑량(또는 이동 수소량)이 커짐에 따라 높게 설정된다. 즉, 캐소드 전극(110)에서 애노드 전극(120)으로 이동할 이동 수소량이 많을수록 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)에 인가되는 인가전압의 크기는 크게 설정된다.
예를 들면, 1L의 수소를 캐소드 전극(110)에서 애노드 전극으로 이동시키기 위해서는, 13V의 전압을 1초 동안 인가하면 된다.
한편, 제어부(300)는 도 5를 참조하여 설명한 바와 달리, 연료전지 시스템의 구동이 중단된 시점으로부터 연료전지 시스템이 재기동된 시점까지의 경과시간에 기초하여, 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)에 인가할 전압을 설정할 수도 있다. 즉, 제어부(300)는 수소농도를 따로 판단하지 않고, 경과시간과 기 저장된 경과시간에 따른 인가전압 테이블에 기초하여, 인가전압을 설정할 수 있다.
경과시간에 캐소드 전극(110)의 수소농도는 앞서 설명한 것처럼 추정될 수 있고, 캐소드 전극(110)의 수소농도를 구하면 목표 수소농도와 캐소드 전극(110)의 부피는 고정값이므로 이동 수소량을 구할 수 있다. 인가전압은 이동 수소량과 연료전지 스택의 셀수, 전압인가 시간을 이용하여 계산될 수 있고, 연료전지 스택의 셀수, 전압인가 시간은 고정될 수 있다. 따라서, 제어부(300)는 경과시간에 따라 인가전압을 설정할 수 있다.
이를 통해, 별도로 캐소드 전극(110)의 수소농도 또는 이동 수소량에 대한 정보 없이, 경과시간 만을 이용해 인가전압을 간단하게 설정할 수 있다.
제어부(300)는 설정된 인가전압을 캐소드 전극(110)과 애노드 전극에 인가할 수 있다(S1300).
구체적으로, 제어부(300)는 에너지 저장장치(200)로부터 연료전지 스택(100)으로 전류가 흐를 수 있도록 릴레이(410, 420)를 제어하여, 기 설정된 시간동안 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)에 전압을 인가할 수 있다.
이후, 제어부(300)는 연료전지 스택(100)으로부터 에너지 저장장치(200)로 전류가 흐를 수 있도록 릴레이(410, 420)를 제어할 수 있다.
그 다음, 제어부(300)는 연료전지 시스템을 기동하여 전력을 생산하기 위해,캐소드 전극(110)에 산소를 포함하는 공기가 공급되고 애노드 전극(120)에 수소가 공급되도록 밸브들을 제어할 수 있다(S1400).
제어부(300)는 연료전지 시스템의 구동을 중단시키기 위한 구동중단신호가 수신되면, 연료전지 스택(100) 내로 산소 공급을 중단하고, 캐소드 전극(110)으로 수소를 공급하도록 제어할 수 있다(S1500).
연료전지 시스템의 기동이 중지되면 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)의 배출라인이 폐쇄되어, 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120) 내부에 공기 또는 수소 등의 기체가 잔류하게 된다.
특히, 연료전지 스택(100)내에 산소가 잔류하게 되면 탄소 부식이 발생하여 연료전지 스택(100)의 내구성이 저하될 수 있다.
따라서, 연료전지 스택(100)내에 잔류하는 산소의 농도를 저감시키기 위해, 연료전지 시스템의 구동을 중단시키기 전에, 산소 공급이 먼저 중단되고 수소가 더 공급되도록 제어하는 것이다.
이와 같은 제어방법을 이용하면, 별도의 캐소드 산소 저감장치(cathode oxygen depletion, COD)를 이용하지 않고도 연료전지 스택(100) 내부의 산소 농도를 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 별도의 COD와 함께 이용하여 연료전지 스택(100) 내부의 산소 농도를 효과적으로 저감시킬 수도 있다.
본 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 구비하는 연료전지 차량은, 수소를 포함하는 연료를 공급받아 기동하는 연료전지 스택(100), 충방전이 가능한 에너지 저장장치(200), 제어부(300), 연료전지 시스템 내부의 구성 간의 연결을 단속하는 릴레이(410, 420); 동력원에 의해 회전하는 바퀴(미도시); 연료전지 스택(100) 또는 에너지 저장장치(200)로부터 전원을 제공받아 구동하며 바퀴를 회전시키는 구동모터(610), 차량의 진행 방향을 조절하기 위한 조향 입력 장치(미도시)를 포함할 수 있다.
차량의 바퀴, 구동모터, 조향 입력 장치 등에 관하여는 이전의 특허들에 이미 상세하게 개시된 바, 여기서는 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
연료전지 스택(100)은 전해질막과 전해질막 양측에 배치되는 한 쌍의 전극인 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비한다.
제어부(300)는 연료전지 스택(100)을 기동시킬 수소가 애노드 전극(120)으로 공급되기 전에 캐소드 전극(110)의 수소농도를 감소시키기 위해, 캐소드 전극과 애노드 전극에 전압의 인가를 제어할 수 있다.
캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120)에 전압이 인가되면, 캐소드 전극(110)에 잔류하던 수소가 전해질막을 통해서 애노드 전극(120)으로 이동할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 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 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
100: 연료전지 스택
110: 캐소드 전극
120: 애노드 전극
200: 에너지 저장장치
210: 고전압배터리
220: 저전압배터리
300: 제어부
410, 420: 릴레이
510: 양방향컨버터
520: LDC
530: 12V전장품
540: DC컨버터
610: 구동모터
620: 인버터
710, 720: 다이오드
110: 캐소드 전극
120: 애노드 전극
200: 에너지 저장장치
210: 고전압배터리
220: 저전압배터리
300: 제어부
410, 420: 릴레이
510: 양방향컨버터
520: LDC
530: 12V전장품
540: DC컨버터
610: 구동모터
620: 인버터
710, 720: 다이오드
Claims (17)
- 전해질막 및 상기 전해질막의 양측에 배치되는 한 쌍의 전극인 캐소드 전극과 애노드 전극을 구비하는 연료전지 스택; 및
상기 연료전지 스택을 기동시킬 수소가 상기 애노드 전극으로 공급되기 전에, 상기 연료전지 스택의 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 대한 전압의 인가 여부를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 전압이 인가되면, 상기 캐소드 전극에 잔류하던 수소가 상기 전해질막을 통해서 상기 애노드 전극으로 이동하여, 상기 캐소드 전극의 수소농도가 감소하는, 연료전지 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 연료전지 시스템의 기동이 중단된 시점으로부터 상기 연료전지 시스템이 재기동된 시점까지의 경과시간에 기초하여, 상기 연료전지 스택에 전압을 인가할지 여부를 판단하는, 연료전지 시스템. - 청구항 2에 있어서,
상기 제어부는,
상기 경과시간이 기 설정된 임계시간 미만인 경우, 상기 연료전지 스택에 전압을 인가하기 위한 제어를 수행하는, 연료전지 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 인가되는 전압차가 수전해(electrolysis of water)가 발생하는 최소전압 미만이 되도록, 상기 연료전지 스택에 인가할 전압을 설정하는, 연료전지 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 전압을 인가하기 전의 상기 캐소드 전극의 수소농도에 기초하여, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 인가할 전압을 설정하는, 연료전지 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 연료전지 시스템의 구동이 중단된 시점으로부터 상기 연료전지 시스템이 재기동된 시점까지의 경과시간에 기초하여, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 인가할 전압을 설정하는, 연료전지 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 캐소드 전극으로부터 상기 애노드 전극으로 이동할 이동 수소량과, 기 저장된 이동 수소량-인가전압 테이블에 기초하여 상기 연료전지 스택에 인가할 전압을 설정하는, 연료전지 시스템. - 청구항 7에 있어서,
상기 제어부는,
상기 캐소드 전극의 목표 수소농도, 상기 전압을 인가하기 전의 상기 캐소드 전극의 수소농도, 및 상기 캐소드 전극의 부피에 기초하여, 상기 이동 수소량을 판단하는, 연료전지 시스템. - 청구항 8에 있어서,
상기 제어부는,
상기 연료전지 시스템의 구동이 중단된 시점으로부터 상기 연료전지 시스템이 재기동된 시점까지의 경과시간에 기초하여, 상기 전압을 인가하기 전의 상기 캐소드 전극의 수소농도를 판단하는, 연료전지 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 전압을 인가하기 위한 에너지 저장장치를 더 포함하는, 연료전지 시스템. - 청구항 10에 있어서,
상기 에너지 저장장치는,
상기 캐소드 전극에 양(+)의 전압을 인가하고, 상기 애노드 전극에 음(-)의 전압을 인가하는, 연료전지 시스템. - 청구항 11에 있어서,
상기 에너지 저장장치의 양(+)극과 상기 캐소드 전극의 연결을 단속하고, 상기 에너지 저장장치의 음(-)극과 상기 애노드 전극의 연결을 단속하는 릴레이를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 에너지 저장장치로부터 상기 연료전지 스택으로 전류가 흐를 수 있도록 상기 릴레이를 제어하여, 기 설정된 시간동안 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 전압을 인가한 후,
상기 연료전지 스택으로부터 상기 에너지 저장장치로 전류가 흐를 수 있도록 릴레이를 제어하는, 연료전지 시스템. - 청구항 11에 있어서,
상기 에너지 저장장치는, 제1 에너지 저장장치와, 상기 제1 에너지 저장장치보다 전압이 더 높은 제2 에너지 저장장치를 포함하고,
상기 제1 에너지 저장장치의 양(+)극과 상기 캐소드 전극의 연결을 단속하고, 상기 제1 에너지 저장장치의 음(-)극과 상기 애노드 전극의 연결을 단속하는 릴레이를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 제1 에너지 저장장치로부터 상기 연료전지 스택으로 전류가 흐를 수 있도록 릴레이를 제어하여, 기 설정된 시간동안 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 전압을 인가하고,
상기 연료전지 스택으로부터 상기 제2 에너지 저장장치로 전류가 흐를 수 있도록 릴레이를 제어하는, 연료전지 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 연료전지 시스템의 구동을 중단시키기 위한 구동중단신호가 수신되면, 상기 연료전지 스택 내로 산소 공급을 중단하고, 상기 캐소드 전극으로 수소를 공급하도록 제어하는, 연료전지 시스템. - 연료전지 스택의 캐소드 전극에 잔류하는 수소를 애노드 전극으로 이동시키기 위해, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 전압을 인가하는 단계; 및
상기 연료전지 스택을 기동시키기 위해, 상기 연료전지 스택에 수소를 포함하는 연료를 공급하는 단계;를 포함하는, 연료전지 시스템의 제어방법. - 청구항 15에 있어서,
상기 전압을 인가하기 전의 상기 캐소드 전극의 수소농도, 상기 연료전지 시스템의 구동이 중단된 시점으로부터 상기 연료전지 시스템이 재기동된 시점까지의 경과시간, 및 상기 캐소드 전극으로부터 상기 애노드 전극으로 이동할 이동 수소량 중 적어도 어느 하나에 기초하여, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 인가할 전압을 판단하는 단계를 더 포함하는, 연료전지 시스템의 제어방법. - 전해질막 및 상기 전해질막의 양측에 배치되는 한 쌍의 전극인 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하는 연료전지 스택; 및
상기 연료전지 스택을 기동시킬 수소가 상기 애노드 전극으로 공급되기 전에 상기 캐소드 전극의 수소농도를 감소시키기 위해, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 대한 전압의 인가를 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극에 전압이 인가되면, 상기 캐소드 전극에 잔류하던 수소가 상기 전해질막을 통해서 상기 애노드 전극으로 이동하는, 연료전지 차량.
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|---|---|---|---|
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| US16/050,611 US10818946B2 (en) | 2018-05-04 | 2018-07-31 | Fuel cell system and method for controlling the same |
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