KR20200055345A - 연료전지 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 연료전지 시스템은, 공기를 흡입하여 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 공기를 가습하는 가습기, 상기 가습기에서 가습된 공기를 공급받는 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택의 입구단에 설치되는 습도센서, 상기 가습기의 입구단으로부터 상기 연료전지 스택의 입구단으로 연결되는 바이패스 유로, 상기 바이패스 유로의 입구단에 설치되는 바이패스 밸브, 및 상기 습도센서에 의해 측정되는 습도값에 따라 상기 바이패스 밸브를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 저유량 또는 저출력 구간에서 가습기의 가습량을 조절하여 과잉 가습으로 인한 연료전지의 양극 플러딩 현상을 방지할 수 있다.

Description

연료전지 시스템 및 그 제어방법{Fuel cell system and Method for controlling the same}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료 전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료 전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배 가량 높다는 장점이 있다.
또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 적다. 따라서, 연료 전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료 전지(Phosphoric Acid Fuel Cell: PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC), 고체 산화물형 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC), 및 알칼리형 연료 전지(Alkaline Fuel Cell: AFC) 등으로 분류할 수 있다.
이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 중에서 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC)는 다른 연료 전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC)의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.
고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압 용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료 전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다.
이들 중에서도 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 가습막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.
가습 막 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 막가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료 전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료 전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
한편, 압축기에 의해 압축된 건조 공기는 가습기에서 연료전지 스택으로부터 공급되는 습윤 공기로부터 습기를 공급받아 가습 공기가 되어 연료전지 스택으로 유입된다.
그런데, 연료전지 양극에서는 전기화학반응에 의해 물이 발생하고, 전해질막을 가습하는 것과 균형이 깨지면 수분이 전극에 부착되는 플러딩(flooding) 현상이 발생하여 오히려 연료전지의 전압이 떨어지는 성능 저하를 가져올 수 있다.
더욱이, 상기한 플러딩이 계속되면 고분자 전해질막을 통과한 수요 양이온이 산소와 결합하지 못하고 전자와 결합하게 됨으로써 다시 수소가 되어 연소하게 됨으로써 연료전지의 전극을 손상시킬 수 있다.
따라서, 저유량 또는 저출력 구간에서 과잉 가습으로 인한 연료전지 스택 내 플러딩 현상을 방지할 필요가 있다.
본 발명은 가습기의 가습량을 조절하여 연료전지의 양극 플러딩 현상을 방지할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 시스템은, 공기를 흡입하여 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 공기를 가습하는 가습기, 상기 가습기에서 가습된 공기를 공급받는 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택의 입구단에 설치되는 습도센서, 상기 가습기의 입구단으로부터 상기 연료전지 스택의 입구단으로 연결되는 바이패스 유로, 상기 바이패스 유로의 입구단에 설치되는 바이패스 밸브, 및 상기 습도센서에 의해 측정되는 습도값에 따라 상기 바이패스 밸브를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 습도센서에 의해 측정되는 습도값이 50% 이상이면 상기 바이패스 밸브를 개방하는 것이 바람직하다.
상기 제어부는 상기 습도센서에 의해 측정되는 습도값이 50% 미만이면 상기 바이패스 밸브를 폐쇄하는 것이 바람직하다.
본 발명의 연료전지 시스템의 제어방법은, 공기를 흡입하여 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 공기를 가습하는 가습기, 상기 가습기에서 가습된 공기를 공급받는 연료전지 스택, 상기 가습기의 입구단으로부터 상기 연료전지 스택의 입구단으로 연결되는 바이패스 유로을 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법에 있어서, 상기 연료전지 스택의 입구단 습도를 측정하는 단계, 상기 측정된 습도가 50% 이상인지 여부를 판단하는 단계, 상기 측정된 습도가 50% 이상인지 여부에 따라 상기 압축기에서 압축된 공기가 상기 가습기 또는 바이패스 유로로 유동하도록 제어하는 단계를 포함한다.
상기 제어 단계는 상기 측정된 습도가 50% 이상이면 바이패스 밸브를 개방하여 상기 압축기에서 압축된 공기가 상기 바이패스 유로로 유동하도록 하고, 상기 측정된 습도가 50% 미만이면 바이패스 밸브를 폐쇄하여 상기 압축기에서 압축된 공기가 상기 가습기를 통과하도록 제어하는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 의하면, 가습기의 가습량을 조절하여 연료전지의 양극 플러딩 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 공기를 흡입하여 압축하는 압축기(10), 압축기에서 압축된 공기를 가습하는 가습기(30), 가습기에서 가습된 공기를 공급받는 연료전지 스택(80), 연료전지 스택의 입구단에 설치되는 습도센서(70), 가습기의 입구단으로부터 연료전지 스택의 입구단으로 연결되는 바이패스 유로(50), 바이패스 유로의 입구단에 설치되는 바이패스 밸브(40), 습도센서(70)에 의해 측정되는 습도값에 따라 바이패스 밸브(40)를 제어하는 제어부(100)를 포함한다.
압축기(10)는 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 것으로서, 외부 공기(이하, "건조공기"라 함)를 흡입하여 그 건조공기를 압축하여 가습기(30)로 공급한다. 압축기(10)와 가습기(30) 사이는 건조공기 공급유로(20)에 의해 연결된다.
가습기(30)는 압축기(10)에서 압축된 건조공기를 가습하여 연료전지 스택(80)으로 공급한다. 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 배출가스(이하, "습윤공기"라 함)와 압축기(10)로부터 공급되는 건조공기가 가습기(30) 내에서 가스 대 가스 수분 교환을 하여, 건조공기에 막 가습이 이루어진다.
연료전지 스택(80)은 막-전극 어셈블리(MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(통상적으로 "분리판" 또는 바이폴라 플레이트" 라고도 함)를 포함한 공기극과 연료극이 배치된 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체로 이루어진다.
연료전지의 공기극에서는 고온 다습한 습윤공기를 배출하며, 연료전지의 연료극에서는 미반응 수소로서의 고온 다습한 습윤수소를 배출한다. 습윤공기는 연료전지 스택(80)으로부터 가습기(30)로 연결된 습윤공기 공급유로(90)를 통해 공급되어, 건조공기와 수분 교환을 한다.
가습기(30)에서 수분 교환 후 배출되는 가습공기는 가습공기 공급유로(60)를 통해 연료전지 스택(80)으로 공급된다.
가습공기 공급유로(60)에서 연료전지 스택(80)의 입구단에 습도센서(70)가 설치된다. 습도센서(70)는 연료전지 스택(80)으로 유입되는 가습공기의 습도를 측정한다.
건조공기 공급유로(20)에서 가습기의 입구단(30)으로부터 가습공기 공급유로(60)에서 연료전지 스택(80)의 입구단으로 바이패스 유로(50)가 연결된다. 압축기(10)에서 공급되는 압축공기는 선택적으로 바이패스 유로(50)를 통해 가습기(30)를 통과하면서 가습되지 않고 바로 연료전지 스택(80)으로 공급될 수 있다. 즉, 압축된 건조공기의 습도가 높을 경우 가습할 필요가 없으므로, 건조공기는 가습기(30)를 통과하지 않고 우회하여 연료전지 스택(80)으로 바로 공급될 수 있다.
바이패스 유로(50)의 입구단에는 바이패스 밸브(40)가 설치되어 있다. 바이패스 밸브(40)는 건조공기 공급유로(20)에서 바이패스 유로(50)와의 연결부에 구비되는 삼방밸브로 구성될 수도 있다.
바이패스 유로(50)의 입구단에 설치된 바이패스 밸브(40)를 폐쇄하면 건조공기는 모두 가습기(30)로 유입된다. 바이패스 밸브(40)를 개방하면 건조공기는 모두 바이패스 유로(50)를 통해 가습되지 않고 연료전지 스택(80)으로 공급된다.
바이패스 밸브(40)는 온/오프 밸브로 구성될 수도 있으나, 그 개방률을 단계적으로 조절할 수 있는 밸브로 구성될 수도 있다. 후자의 경우, 연료전지 스택(80)으로 유입되는 가습공기의 습도에 따라 바이패스 밸브(40)의 개도를 조절할 수 있다.
제어부(100)는 습도센서(70)에 의해 측정되는 습도값에 따라 바이패스 밸브(40)를 제어한다. 즉, 제어부(100)는 습도센서(70)의 측정값을 수신하여 그 습도값에 따라 바이패스 밸브(40)를 제어한다. 습도값이 낮으면 바이패스 밸브(40)를 폐쇄하고, 습도값이 높으면 바이패스 밸브(40)를 개방한다.
구체적으로, 제어부(100)는 습도센서(70)에 의해 측정되는 습도값이 50% 이상이면 바이패스 밸브(40)를 개방한다. 즉, 연료전지 스택(80) 입구단의 습도값이 50% 이상이면 건조공기에 가습할 필요가 없으므로, 건조공기는 가습기(30)를 통과하지 않고 바로 연료전지 스택(80)으로 공급된다.
또한, 습도센서(70)에 의해 측정되는 습도값이 50% 미만이면 제어부(100)는 바이패스 밸브(40)를 폐쇄한다. 즉, 연료전지 스택(80) 입구단의 습도값이 50% 미만이면 건조공기가 가습기(30)를 통과하면서 가습되도록 한 다음 연료전지 스택(80)으로 공급한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 2를 참조하여 연료전지 시스템의 제어방법을 설명한다.
여기서, 연료전지 시스템은 도 1을 참조하여 상술한 바와 같다.
먼저, 연료전지 시스템의 작동 명령이 입력되면 연료전지 시스템을 작동한다(S10).
다음에, 연료전지 스택의 입구단 습도를 측정한다(S20).
다음으로, 상기 측정된 습도가 50% 이상이지 여부를 판단한다(S30).
마지막으로, 측정된 습도가 50% 이상인지 여부에 따라 압축기(10)에서 압축된 공기가 가습기(30) 또는 바이패스 유로(50)로 유동하도록 제어한다.
상기 제어단계에서, 측정된 습도가 50% 이상이면 바이패스 밸브(40)를 개방하여 압축기(10)에서 압축된 공기가 바이패스 유로(50)로 유동하도록 제어한다(S40).
상기 제어단계에서, 측정된 습도가 50% 미만이면 바이패스 밸브(40)를 폐쇄하여 압축기(10)에서 압축된 공기가 가습기(30)를 통과하도록 제어한다(S50).
본 발명에 의하면, 저유량 또는 저출력 구간에서 가습기의 가습량을 조절하여 과잉 가습으로 인한 연료전지의 양극 플러딩 현상을 방지할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 압축기
20: 건조공기 공급유로
30: 가습기
40: 바이패스 밸브
50: 바이패스 유로
60: 가습공기 공급유로
70: 습도센서
80: 연료전지 스택
90: 습윤공기 공급유로
100: 제어부

Claims (5)

  1. 공기를 흡입하여 압축하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 공기를 가습하는 가습기;
    상기 가습기에서 가습된 공기를 공급받는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택의 입구단에 설치되는 습도센서;
    상기 가습기의 입구단으로부터 상기 연료전지 스택의 입구단으로 연결되는 바이패스 유로;
    상기 바이패스 유로의 입구단에 설치되는 바이패스 밸브; 및
    상기 습도센서에 의해 측정되는 습도값에 따라 상기 바이패스 밸브를 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 습도센서에 의해 측정되는 습도값이 50% 이상이면 상기 바이패스 밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 습도센서에 의해 측정되는 습도값이 50% 미만이면 상기 바이패스 밸브를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 공기를 흡입하여 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 공기를 가습하는 가습기, 상기 가습기에서 가습된 공기를 공급받는 연료전지 스택, 상기 가습기의 입구단으로부터 상기 연료전지 스택의 입구단으로 연결되는 바이패스 유로을 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 입구단 습도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 습도가 50% 이상인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 측정된 습도가 50% 이상인지 여부에 따라 상기 압축기에서 압축된 공기가 상기 가습기 또는 바이패스 유로로 유동하도록 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어 단계는 상기 측정된 습도가 50% 이상이면 바이패스 밸브를 개방하여 상기 압축기에서 압축된 공기가 상기 바이패스 유로로 유동하도록 하고, 상기 측정된 습도가 50% 미만이면 바이패스 밸브를 폐쇄하여 상기 압축기에서 압축된 공기가 상기 가습기를 통과하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
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