KR20210143374A - 연료전지의 공기 공급 시스템 및 이를 제어하는 방법 - Google Patents

연료전지의 공기 공급 시스템 및 이를 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

복수의 단위셀이 적층되고, 내부에서 화학 반응을 통하여 전력을 발전하는 연료전지 스택; 유입구를 통하여 유입된 산화가스가 포함된 공기를 연료전지 스택에 공급하고, 연료전지 스택에서 배출된 공기를 배출구를 통해 배출하는 공기라인; 및 공기라인 중 연료전지 스택의 출구 측에 위치되며, 공기라인으로 유입되는 공기 중의 산화가스를 흡착하는 가스흡착장치;를 포함하는 연료전지의 공기 공급 시스템이 소개된다.

Description

연료전지의 공기 공급 시스템 및 이를 제어하는 방법 {AIR SUPPLY SYSTEM OF FUEL CELL AND CONTROL METHOD OF THE SAME}
본 발명은 연료전지의 공기 공급 시스템 및 이를 제어하는 방법에 관한 것으로, 연료전지 스택의 발전 중단시 공기 중의 산소를 차단하는 기술에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지로 일종의 발전 장치이다. 기본적으로 산화, 환원 반응을 이용한다는 점에서 화학 전지와 같지만, 닫힌 시스템 내부에서 전지 반응을 하는 화학 전지와는 달리, 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응 생성물이 연속적으로 시스템 외부로 제거되는 점에서 차이가 있다. 최근에는 연료전지 발전시스템이 실용화되고 있으며, 연료전지의 반응 생성물이 순수한 물이기 때문에 친환경적인 차량의 에너지원으로 사용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 화학 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택과 연료전지 스택의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급장치 및 연료전지 스택의 수소극으로 수소를 공급하는 수소 공급장치가 포함된다.
즉, 연료전지 스택의 공기극(Cathode)에는 산소가 포함된 공기를 공급하고, 연료전지 스택의 수소극(Anode)에는 수소를 공급하는 것이다.
다만, 연료전지 스택의 발전이 중단되면 공기의 공급이 중단되며, 공기 공급이 중단된 상태에서 수소공급라인에 공급된 수소가 크로스오버 등으로 공기극으로 유입되고, 이에 따라 수소와 잔존하는 산소의 반응이 발생한다. 수소와 산소의 반응에 의해 연료전지 스택의 내부에는 음압이 발생되어 외부의 공기가 유입되는 문제가 발생한다.
도 1은 종래 기술에 따른 수소극에 산소가 유입됨에 따른 전위를 도시한 것이며, 도 2는 전극 부식 이전과 이후의 I-V 성능 곡선을 도시한 것이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 연료전지 시스템의 발전을 중단하는 경우에는 연료전지 스택으로의 공기 공급을 차단하는데, 공기의 유입을 완전히 차단하기 어려운 문제가 발생한다.
연료전지의 공기극으로 유입된 공기는 수소극으로 크로스오버되는데, 그 중 산소가 연료전지의 단위셀이 부식되는데 중요한 역할을 한다.
특히, 연료전지의 발전이 중단된 상태에서 재개되면서 수소극에 수소가 공급되는 경우에는 Region A와 Region B 사이에는 수소/산소 계면이 형성되며, 그로 인하여 형성된 고전위에 의해 연료전지 스택의 전극이 부식되는 문제가 발생한다.
또한, 이에 따라 연료전지 스택에 포함된 전극이 부식되는 경우에는 도 2에 도시한 것과 같이 동일한 전류를 발전하는 상태에서 단위셀의 전압이 하강하는 등 연료전지 스택의 발전 성능이 저하되는 문제가 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.
KR 10-1875657 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 스택의 발전이 중단된 상태에서 산소의 유입을 차단하는 연료전지의 공기 공급 시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 공기 공급 시스템은 복수의 단위셀이 적층되고, 내부에서 화학 반응을 통하여 전력을 발전하는 연료전지 스택; 유입구를 통하여 유입된 산화가스가 포함된 공기를 연료전지 스택에 공급하고, 연료전지 스택에서 배출된 공기를 배출구를 통해 배출하는 공기라인; 및 공기라인 중 연료전지 스택의 출구 측에 위치되며, 공기라인으로 유입되는 공기 중의 산화가스를 흡착하는 가스흡착장치;를 포함한다.
가스흡착장치는 금속 및 촉매가 포함된 규조토가 분말 형태로 포함되어 공기라인으로 유동되는 공기 중의 산화가스를 흡착할 수 있다.
가스흡착장치에 흡착된 산화가스가 연료와 반응하도록 가스흡착장치에 전압을 인가하는 전압원; 및 연료전지 스택의 발전 상태를 기반으로 가스흡착장치로 전압원의 전압 인가를 제어하는 전원제어기;를 더 포함할 수 있다.
전압원은 연료전지 스택에 포함된 복수의 단위셀 중 일부일 수 있다.
전압원과 가스흡착장치 사이에 위치된 스위치;를 더 포함하고, 전원제어기는 연료전지 스택의 발전이 중단되었다가 재개되면 가스흡착장치에 전압에 전압이 인가되도록 스위치를 제어할 수 있다.
연료전지 스택에서 배출된 연료를 재순환하여 다시 연료전지 스택으로 공급하는 연료라인; 연료라인 중 연료전지 스택의 출구 측에서 공기라인 중 연료전지 스택의 출구 측으로 연결된 퍼지라인; 퍼지라인에 위치되면서 퍼지라인을 통해 연료라인의 연료가 공기라인으로 퍼지되는 퍼지량을 조절하는 퍼지밸브; 및 연료전지 스택의 발전이 중단되었다가 재개되면 퍼지밸브를 개방하도록 제어하는 퍼지제어기;를 더 포함할 수 있다.
연료전지 스택에서 배출된 연료를 재순환하여 다시 연료전지 스택으로 공급하는 연료라인; 연료라인 중 연료전지 스택의 출구 측에서 공기라인 중 연료전지 스택의 출구 측으로 연결된 퍼지라인; 및 퍼지라인에 위치되면서 퍼지라인을 통해 연료라인의 연료가 공기라인으로 퍼지되는 퍼지량을 조절하는 퍼지밸브;를 더 포함하고, 전원제어기는 퍼지밸브의 개방시 가스흡착장치로 전압원의 전압을 인가할 수 있다.
공기라인 중 연료전지 스택의 출구 측에 위치되고, 가스흡착장치보다 하류 지점에 위치되며, 연료전지 스택의 전력 발전이 중단된 상태에서 공기라인의 공기 유동을 차단하는 차단밸브;를 더 포함할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 공기 공급 시스템을 제어하는 방법은 연료전지 스택의 발전을 재개하는 상태인지 판단하는 단계; 발전을 재개하는 상태인 경우, 가스흡착장치로 전압원의 전압을 인가하는 단계; 및 가스흡착장치로 전압을 인가하는 상태로 연료전지 스택의 공기라인으로 공기를 공급하는 단계;를 포함한다.
공기를 공급하는 단계 이후에, 연료전지 스택에서 배출된 연료를 재순환하여 연료전지 스택으로 공급하는 연료라인의 연료를 공기라인으로 퍼지하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
연료를 공기라인으로 퍼지하는 단계 이후에, 연료의 퍼지가 완료되면 가스흡착장치로 전압원의 전압을 차단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
발전을 재개하는 상태인지 판단하는 단계 이전에, 연료전지 스택의 발전이 중단된 상태인지 판단하는 단계; 및 발전이 중단된 상태인 경우, 가스흡착장치로 인가하는 전압을 차단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
가스흡착장치로 전압원의 전압을 인가하는 단계에서는, 연료전지 스택에 포함된 복수의 단위셀 중 일부를 가스흡착장치와 연결시킬 수 있다.
본 발명의 연료전지의 공기 공급 시스템 및 이를 제어하는 방법에 따르면, 연료전지의 발전 중단시 연료전지 스택의 내부로 유입되는 산소를 차단하고, 이에 따라 연료전지의 재시동시 전극의 부식을 방지하여 연료전지 스택의 내구성을 향상시키는 효과를 갖는다.
또한, 연료전지의 재시동시 수소공급라인에서 퍼지되는 수소를 산소와 반응시킴으로써 배출되는 수소의 농도를 감소시키는 효과를 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 수소극에 산소가 유입됨에 따른 전위를 도시한 것이다.
도 2는 전극 부식 이전과 이후의 I-V 성능 곡선을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 공기 공급 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스흡착장치의 구체적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 공기 공급 시스템을 제어하는 방법의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 공기 공급 시스템의 적용 여부에 따른 연료전지 스택의 성능 변화를 도시한 것이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 공기 공급 시스템의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스흡착장치(30)의 구체적인 구성도이다.
도 3 내지 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 공기 공급 시스템은 복수의 단위셀이 적층되고, 내부에서 화학 반응을 통하여 전력을 발전하는 연료전지 스택(10); 유입구를 통하여 유입된 산화가스가 포함된 공기를 연료전지 스택(10)에 공급하고, 연료전지 스택(10)에서 배출된 공기를 배출구를 통해 배출하는 공기라인(20); 및 공기라인(20) 중 연료전지 스택(10)의 출구 측에 위치되며, 공기라인(20)으로 유입되는 공기 중의 산화가스를 흡착하는 가스흡착장치(30);를 포함한다.
연료전지 스택(10)은 연료인 수소와 산소가 포함된 공기를 수소극(애노드, Anode) 및 산소극(캐소드, Cathode)으로 각각 공급받아 화학 반응을 통하여 전력을 발전한다. 연료전지 스택(10)의 내부에서 수소와 산소가 반응하면서 응축수가 발생한다.
특히, 연료전지 스택(10)은 복수의 단위셀들이 적층된 것으로, 각각의 단위셀들에 연료 및 공기가 유입되어 전력을 발전하며, 연료전지 스택(10)은 단위셀들이 직렬로 연결됨으로써 고전압의 전력을 출력할 수 있다.
공기라인(20)은 외부의 공기를 연료전지 스택(10)으로 공급급하고, 연료전지 스택(10)에서 배출된 공기를 외부로 배출할 수 있다. 공기라인(20)의 입구에는 외부의 공기를 유입하는 블로워 또는 압축기(21)가 위치될 수 있다.
연료전지 스택(10)이 전력을 발전하는 상태에는 블로워 또는 압축기가 구동됨에 따라 공기라인(20)의 유입구로 유입된 공기가 연료전지 스택(10)을 통과하여 배출구를 통해 배출될 수 있다.
다만, 연료전지 스택(10)의 발전이 중단된 상태에서는 공기라인(20)으로 공기가 공급되지 않고, 이에 따라 배출구를 통해 유입된 공기가 역류하여 연료전지 스택(10)으로 이동될 수 있다.
추가로, 공기라인(20)의 입구에는 연료전지 스택(10)으로 공급하는 공기를 가습하는 가습기(22)가 위치될 수 있다. 특히, 가습기(22)는 연료전지 스택(10)의 출구에서 배출된 공기라인(20)의 출구와 연결되어 공기라인(20)의 출구에서 배출된 공기의 수분을 연료전지 스택(10)의 입구로 공급되는 공기로 전달되도록 서로 교환될 수 있다.
가스흡착장치(30)는 공기라인(20) 중 연료전지 스택(10)의 출구 측에 위치되는 것으로, 연료전지 스택(10)의 출구에서 배출된 공기가 배출되는 배출구 측에 위치될 수 있다.
가스흡착장치(30)는 연료전지 스택(10)의 발전이 중단된 상태에서 공기라인(20)의 배출구로부터 유입되는 공기 중의 산소를 흡착하여 제거할 수 있다.
이에 따라, 연료전지의 발전 중단시 연료전지 스택(10)의 내부로 유입되는 산소를 차단하고, 연료전지의 재시동시 전극의 부식을 방지하여 연료전지 스택(10)의 내구성을 향상시키는 효과를 갖는다.
구체적으로, 가스흡착장치(30)는 금속 및 촉매가 포함된 규조토가 분말 형태로 포함되어 공기라인(20)으로 유동되는 공기 중의 산화가스를 흡착할 수 있다.
규조토에는 철 분말, 산화 촉진제(촉매) 및 충전재가 포함될 수 있다. 가스흡착장치(30)는 이러한 규조토를 나노 입자로 제조하고, 이를 코팅함으로써 공기라인(20)을 통해 유동되는 공기 중의 산소를 흡착할 수 있다.
또한, 가스흡착장치(30)는 전압 인가시 수소와 산소를 반응시켜 물을 생성할 수 있다. 이에 따라, 공기라인(20)으로 유동되는 수소를 흡착된 산소와 반응시킴으로써 공기라인(20)을 통해 배출되는 수소를 저감할 수 있다.
가스흡착장치(30)에 흡착된 산화가스가 연료와 반응하도록 가스흡착장치(30)에 전압을 인가하는 전압원(40); 및 연료전지 스택(10)의 발전 상태를 기반으로 가스흡착장치(30)로 전압원(40)의 전압 인가를 제어하는 전원제어기(80);를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 전원제어기(80)는 연료전지 스택(10)의 발전이 중단되었다가 재개되는 경우에 가스흡착장치(30)로 전압원(40)의 전압을 인가할 수 있다. 이에 따라, 가스흡착장치(30)에 흡착된 산소가 공기라인(20)으로 퍼지된 수소와 반응함으로써 수소를 제거할 수 있다.
반대로, 전원제어기(80)는 연료전지 스택(10)의 발전이 중단된 상태에는 가스흡착장치(30)로 전압원(40)의 전압 인가를 차단할 수 있다. 이에 따라, 가스흡착장치(30)에 산소가 흡착될 수 있다.
또한, 연료전지의 발전이 계속되는 경우에도 가스흡착장치(30)로 전압원(40)의 전압 인가를 차단하고, 연료전지의 발전이 중단되는 경우에 가스흡착장치(30)에 흡착된 산소를 제거하도록 기설정된 시간동안 가스흡착장치(30)로 전압원(40)의 전압을 인가할 수 있다.
특히, 전압원(40)은 연료전지 스택(10)에 포함된 복수의 단위셀 중 일부일 수 있다. 전압원(40)은 배터리와 같이 별도의 장치로 구성될 수도 있으나, 연료전지 스택(10)에 적층된 복수의 단위셀 중 일부를 전압원(40)으로 이용할 수 있다.
전압원(40)과 가스흡착장치(30) 사이에 위치된 스위치(41);를 더 포함하고, 전원제어기(80)는 연료전지 스택(10)의 발전이 중단되었다가 재개되면 가스흡착장치(30)에 전압에 전압이 인가되도록 스위치(41)를 제어할 수 있다.
전원제어기(80)는 스위치(41)를 연결함으로써 전압원(40)의 전압을 가스흡착장치(30)로 인가하도록 제어할 수 있고, 스위치(41)를 차단함으로써 전압원(40)의 전압 인가를 차단할 수 있다.
연료전지 스택(10)에서 배출된 연료를 재순환하여 다시 연료전지 스택(10)으로 공급하는 연료라인(50);
연료라인(50) 중 연료전지 스택(10)의 출구 측에서 공기라인(20) 중 연료전지 스택(10)의 출구 측으로 연결된 퍼지라인(60); 퍼지라인(60)에 위치되면서 퍼지라인(60)을 통해 연료라인(50)의 연료가 공기라인(20)으로 퍼지되는 퍼지량을 조절하는 퍼지밸브; 및 연료전지 스택(10)의 발전이 중단되었다가 재개되면 퍼지밸브를 개방하도록 제어하는 퍼지제어기(70);를 더 포함할 수 있다.
연료라인(50)에는 수분 및 질소와 같은 불순물이 포함된 수소가 유동되는 것으로, 주기적으로 퍼지를 통해 불순물이 포함된 수소를 배출시킬 수 있다.
퍼지제어기(70)는 퍼지밸브를 개방하거나 차단하도록 제어함으로써 연료라인(50)의 퍼지를 제어할 수 있다. 일 실시예로, 퍼지제어기(70)는 연료라인(50)의 수소 농도를 추정하고, 추정한 수소 농도가 기설정된 하한값보다 낮아지면 퍼지밸브를 개방하여 퍼지시킬 수 있다.
특히, 연료전지 스택(10)의 발전이 중단된 상태에서는, 연료극에 새로운 수소를 공급하지 않는 상태로 유지되면서 연료극과 공기극 사이의 크로스오버가 발생되고, 이에 따라 연료극에는 불순물의 농도가 높아진다.
따라서, 퍼지제어기(70)는 연료전지 스택(10)의 발전이 중단되었다가 재개되면 퍼지밸브를 개방하도록 제어함으로써 연료라인(50)의 연료를 퍼지할 수 있다.
전원제어기(80)는 퍼지밸브의 개방시 가스흡착장치(30)로 전압원(40)의 전압을 인가할 수 있다.
특히, 연료전지 스택(10)의 발전이 중단되었다가 재개되는 경우에 연료를 퍼지하는 경우뿐만 아니라 연료전지 스택(10)의 발전 중에도 퍼지제어기(70)가 퍼지밸브극 개방하여 연료라인(50)의 연료를 퍼지할 수 있다.
전원제어기(80)는 퍼지제어기(70)에서 퍼지밸브를 개방하는 경우에 가스흡착장치(30)로 전압원(40)의 전압을 인가함으로써 공기라인(20)으로 퍼지되는 수소를 흡착된 산소와 반응시킬 수 있다.
공기라인(20) 중 연료전지 스택(10)의 출구 측에 위치되고, 가스흡착장치(30)보다 하류 지점에 위치되며, 연료전지 스택(10)의 전력 발전이 중단된 상태에서 공기라인(20)의 공기 유동을 차단하는 차단밸브(23,24);를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 차단밸브(23,24)는 공기라인(20) 중 연료전지 스택(10)의 출구 측에 위치되고, 연료전지 스택(10)의 전력 발전이 중단된 상태에서 공기라인(20)의 공기 유동을 차단할 수 있다.
다만, 차단밸브(23,24)를 차단하더라도 연료전지 스택(10)의 전력 발전이 장시간 차단되는 경우에는 공기라인(20)의 공기 유동이 발생될 수 있다. 공기라인(20)에 위치된 가스흡착장치(30)는 차단밸브(23,24)보다 상류지점에서 연료전지 스택(10)의 출구측에 위치될 수 있다.
추가로, 차단밸브(23,24)는 공기라인(20) 중 연료전지 스택(10)의 입구 측에도 위치될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 퍼지제어기(70) 및 전원제어기(80)는 차량의 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 통해 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 공기 공급 시스템을 제어하는 방법의 순서도이다.
도 5를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 공기 공급 시스템을 제어하는 방법은 연료전지 스택(10)의 발전을 재개하는 상태인지 판단하는 단계(S300); 발전을 재개하는 상태인 경우, 가스흡착장치(30)로 전압원(40)의 전압을 인가하는 단계(S400); 및 가스흡착장치(30)로 전압을 인가하는 상태로 연료전지 스택(10)의 공기라인(20)으로 공기를 공급하는 단계(S500);를 포함한다.
발전을 재개하는 상태인지 판단하는 단계(S300) 이전에, 연료전지 스택(10)의 발전이 중단된 상태인지 판단하는 단계(S100); 및 발전이 중단된 상태인 경우, 가스흡착장치(30)로 인가하는 전압을 차단하는 단계(S200);를 더 포함할 수 있다.
연료전지 스택(10)의 발전이 중단된 경우에는 가스흡착장치(30)로 전압을 인가하지 않도록 스위치(41)를 차단할 수 있고, 이에 따라 공기라인(20)으로 유동되는 공기 중의 산소가 가스흡착장치(30)에 흡착될 수 있다.
연료전지 스택(10)의 발전이 중단된 상태에서 발전을 재개하는 상태인 경우에는 가스흡착장치(30)로 전압원(40)의 전압을 인가할 수 있다.
또한, 공기라인(20)으로 공기를 공급하는 단계(S500)에서는, 계속해서 가스흡착장치(30)로 전압원(40)의 전압을 인가함으로써 가스흡착장치(30)에 흡착된 산소를 제거할 수 있다.
특히, 공기를 공급하는 단계(S500) 이후에, 연료전지 스택(10)에서 배출된 연료를 재순환하여 연료전지 스택(10)으로 공급하는 연료라인(50)의 연료를 공기라인(20)으로 퍼지하는 단계(S600);를 더 포함할 수 있다.
공기라인(20)으로 공기를 공급하면서 연료라인(50)의 연료를 공기라인(20)으로 퍼지함으로써 연료라인(50)의 연료를 공기라인(20)의 공기와 희석하여 배출시킬 수 있다.
특히, 공기를 공급하는 단계(S500)에서는, 가스흡착장치(30)에 전압이 인가된 상태이므로 퍼지된 수소가 흡착된 산소와 반응함으로써 수소 농도가 저감될 수 있다.
또한, 연료를 공기라인(20)으로 퍼지하는 단계(S600) 이후에, 연료의 퍼지가 완료되면 가스흡착장치(30)로 전압원(40)의 전압을 차단하는 단계(S700);를 더 포함할 수 있다.
즉, 연료의 퍼지가 완료되어 공기라인(20)을 통해 수소를 배출하지 않는 경우에는 다시 가스흡착장치(30)로 전압원(40)의 전압을 차단하도록 스위치(41)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 불필요한 전력 낭비를 감소할 수 있는 효과를 갖는다.
추가로, 연료전지 스택(10)의 발전을 다시 중단하는 경우에는 가스흡착장치(30)로 전압원(40)의 전압을 인가하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 연료전지 스택(10)의 발전을 중단하기 이전에 가스흡착장치(30)에 흡착된 산소를 제거할 수 있다.
가스흡착장치(30)로 전압원(40)의 전압을 인가하는 단계(S400)에서는, 연료전지 스택(10)에 포함된 복수의 단위셀 중 일부를 가스흡착장치(30)와 연결시킬 수 있다. 이에 따라, 별도의 전압장치를 더 포함하지 않고, 연료전지 스택(10)의 발전 전력을 이용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 공기 공급 시스템의 적용 여부에 따른 연료전지 스택(10)의 성능 변화를 도시한 것이다.
특히, 해당 그래프는 연료전지 스택(10)이 동일한 전류를 출력하는 상태에서 연료전지 스택(10)에 포함된 단위셀의 평균셀전압을 도시한 것이다.
도 6을 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 공기 공급 시스템을 적용하여 연료전지 스택(10)의 전극 부식을 방지한 경우에는 시간에 따른 연료전지 스택(10)의 성능 저하가 전극 부식을 방지하지 않은 경우보다 더디게 발생하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 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.
10 : 연료전지 스택 20 : 공기라인
30 : 가스흡착장치 40 : 전압원
50 : 연료라인 60 : 퍼지라인
70 : 퍼지제어기 80 : 전원제어기

Claims (13)

  1. 복수의 단위셀이 적층되고, 내부에서 화학 반응을 통하여 전력을 발전하는 연료전지 스택;
    유입구를 통하여 유입된 산화가스가 포함된 공기를 연료전지 스택에 공급하고, 연료전지 스택에서 배출된 공기를 배출구를 통해 배출하는 공기라인; 및
    공기라인 중 연료전지 스택의 출구 측에 위치되며, 공기라인으로 유입되는 공기 중의 산화가스를 흡착하는 가스흡착장치;를 포함하는 연료전지의 공기 공급 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    가스흡착장치는 금속 및 촉매가 포함된 규조토가 분말 형태로 포함되어 공기라인으로 유동되는 공기 중의 산화가스를 흡착하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    가스흡착장치에 흡착된 산화가스가 연료와 반응하도록 가스흡착장치에 전압을 인가하는 전압원; 및
    연료전지 스택의 발전 상태를 기반으로 가스흡착장치로 전압원의 전압 인가를 제어하는 전원제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    전압원은 연료전지 스택에 포함된 복수의 단위셀 중 일부인 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    전압원과 가스흡착장치 사이에 위치된 스위치;를 더 포함하고,
    전원제어기는 연료전지 스택의 발전이 중단되었다가 재개되면 가스흡착장치에 전압에 전압이 인가되도록 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 스택에서 배출된 연료를 재순환하여 다시 연료전지 스택으로 공급하는 연료라인;
    연료라인 중 연료전지 스택의 출구 측에서 공기라인 중 연료전지 스택의 출구 측으로 연결된 퍼지라인;
    퍼지라인에 위치되면서 퍼지라인을 통해 연료라인의 연료가 공기라인으로 퍼지되는 퍼지량을 조절하는 퍼지밸브; 및
    연료전지 스택의 발전이 중단되었다가 재개되면 퍼지밸브를 개방하도록 제어하는 퍼지제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 시스템.
  7. 청구항 3에 있어서,
    연료전지 스택에서 배출된 연료를 재순환하여 다시 연료전지 스택으로 공급하는 연료라인;
    연료라인 중 연료전지 스택의 출구 측에서 공기라인 중 연료전지 스택의 출구 측으로 연결된 퍼지라인; 및
    퍼지라인에 위치되면서 퍼지라인을 통해 연료라인의 연료가 공기라인으로 퍼지되는 퍼지량을 조절하는 퍼지밸브;를 더 포함하고,
    전원제어기는 퍼지밸브의 개방시 가스흡착장치로 전압원의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    공기라인 중 연료전지 스택의 출구 측에 위치되고, 가스흡착장치보다 하류 지점에 위치되며, 연료전지 스택의 전력 발전이 중단된 상태에서 공기라인의 공기 유동을 차단하는 차단밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 시스템.
  9. 청구항 3의 연료전지의 공기 공급 시스템을 제어하는 방법으로서,
    연료전지 스택의 발전을 재개하는 상태인지 판단하는 단계;
    발전을 재개하는 상태인 경우, 가스흡착장치로 전압원의 전압을 인가하는 단계; 및
    가스흡착장치로 전압을 인가하는 상태로 연료전지 스택의 공기라인으로 공기를 공급하는 단계;를 포함하는 연료전지의 공기 공급 시스템을 제어하는 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    공기를 공급하는 단계 이후에, 연료전지 스택에서 배출된 연료를 재순환하여 연료전지 스택으로 공급하는 연료라인의 연료를 공기라인으로 퍼지하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 시스템을 제어하는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    연료를 공기라인으로 퍼지하는 단계 이후에, 연료의 퍼지가 완료되면 가스흡착장치로 전압원의 전압을 차단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 시스템을 제어하는 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    발전을 재개하는 상태인지 판단하는 단계 이전에, 연료전지 스택의 발전이 중단된 상태인지 판단하는 단계; 및
    발전이 중단된 상태인 경우, 가스흡착장치로 인가하는 전압을 차단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 시스템을 제어하는 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    가스흡착장치로 전압원의 전압을 인가하는 단계에서는, 연료전지 스택에 포함된 복수의 단위셀 중 일부를 가스흡착장치와 연결시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 시스템을 제어하는 방법.
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