KR20220102444A - 수소 연료전지 운전시스템 및 이를 이용한 운전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 연료전지 운전시스템 및 이를 이용한 운전방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기가 입출되는 스택의 양측에 냉각을 위한 공기를 각각 반대 방향으로 순환시키는 제1,2냉각부가 형성되도록 하고, 스택에서의 물 발생 또는 온도에 따라 제1,2냉각부의 작동을 전환하여 공기 입출구의 변경이 이루어지도록 함으로써, 대기 온도에 상관없이 Flooding 현상을 억제하고 전극의 손상을 방지하며 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 수소 연료전지 운전시스템 및 이를 이용한 운전방법에 관한 것이다.

Description

수소 연료전지 운전시스템 및 이를 이용한 운전방법{An Operating System for Hydrogen Fuel Cell and Operating Method Using the Same}
본 발명은 수소 연료전지 운전시스템 및 이를 이용한 운전방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기가 입출되는 스택의 양측에 냉각을 위한 공기를 각각 반대 방향으로 순환시키는 제1,2냉각부가 형성되도록 하고, 스택에서의 물 발생 또는 온도에 따라 제1,2냉각부의 작동을 전환하여 공기 입출구의 변경이 이루어지도록 함으로써, 대기 온도에 상관없이 Flooding 현상을 억제하고 전극의 손상을 방지하며 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 수소 연료전지 운전시스템 및 이를 이용한 운전방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로서, 산업용, 가정용 및 차량용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 휴대기기의 전력을 공급하는데에도 이용될 수 있다.
연료전지는 여러 종류가 존재하나 높은 전력 밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)이 주로 사용되고 있으며, 가장 안쪽에 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)가 위치하고, 막전극접합체에는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성된다.
또한, 연료전지는 냉각방식에 따라 수냉식 연료전지와 공냉식 연료전지로 구분될 수 있으며, 드론 등과 같이 연료전지의 초경량화가 필요한 경우에는 아래 특허문헌과 같이 구조가 단순하고 가벼운 공냉식 연료전지가 사용되고 있다.
종래 공냉식 연료전지의 경우 도 1에서 보는 바와 같이 일측에 냉각팬(200)을 형성하여 스택(100)의 공기 순환이 이루어지도록 하였으나, 이러한 경우 대기 중의 공기가 유입되는 공기입구측에서는 저온부가 형성되고, 공기출구측으로 갈수록 공기의 온도가 상승하여 고온부가 형성되었다.
따라서, 종래 공냉식 연료전지의 냉각은 대기 온도에 영향을 받을 수밖에 없으며, 대기의 온도가 저온인 경우에는 공기입구측의 저온부에서 극심한 수분 응축이 발생하여 Flooding 현상이 발생하고, 이에 따라 연료전지의 급격한 성능 저하와 함께 전극 손상이 발생하는 문제가 있었다.
또한, 대기 온도가 높은 경우에는 고온부의 온도도 함께 상승하여 Dry out 현상이 발생함에 따라 전해질막의 손상이 발생하고 Hot spot이 생성되어 전극와 스택 부품의 손상이 발생하는 문제가 있었다.
따라서, 종래 공냉식 연료전지는 내구성 확보에 어려움이 있으며, 전류밀도의 향상에도 명확한 한계가 존재하여 최적의 성능을 발휘하지 못하는 문제가 있었다.
(특허문헌) 등록특허공보 제10-2131702호(2020. 07. 02. 등록)"연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택"
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,
본 발명은 공기가 입출되는 스택의 양측에 냉각을 위한 공기를 각각 반대 방향으로 순환시키는 제1,2냉각부가 형성되도록 하고, 스택에서의 물 발생 또는 온도에 따라 제1,2냉각부의 작동을 전환하여 공기 입출구의 변경이 이루어지도록 함으로써, 대기 온도에 상관없이 Flooding 현상을 억제하고 전극의 손상을 방지하며 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 수소 연료전지 운전시스템 및 이를 이용한 운전방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 공기의 입구측에서 일정 정도 이상 물이 발생하는 경우 공기의 입구를 고온의 출구로 전환하여 물의 제거가 이루어지도록 함으로써 Flooding 현상을 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 수소 연료전지 운전시스템 및 이를 이용한 운전방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 스택에서 물이 발생하기 전이라도 공기 입구측의 온도가 설정값 아래에서 일정시간을 초과하여 지속되는 경우에는 공기 입출구의 변경을 통해 입구측 온도를 상승시켜 Flooding 현상을 미리 차단할 수 있도록 하는 수소 연료전지 운전시스템 및 이를 이용한 운전방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 공기 출구측의 온도가 목표온도의 일정 범위를 초과하여 상승하는 경우 즉각 공기의 입출구의 변경이 이루어지도록 함으로써, 고온에 의한 Hot spot의 생성과 전극의 손상을 방지할 수 있도록 하는 수소 연료전지 운전시스템 및 이를 이용한 운전방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 운전시스템은 연료전지 셀이 적층되어 수소의 공급을 통해 전기를 발생시키는 스택과, 상기 스택의 일측에 형성되어 제1냉각팬을 통해 일측 방향으로 스택의 공기 순환이 이루어지도록 하는 제1냉각부와, 상기 스택의 타측에 형성되어 제2냉각팬을 통해 타측 방향으로 스택의 공기 순환이 이루어지도록 하는 제2냉각부와, 연료전지의 작동을 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 스택 내의 물 발생 또는 온도에 따라 제1냉각팬 및 제2냉각팬의 작동을 조절하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 운전시스템에 있어서, 상기 제어부는 공기가 입출되는 스택의 일측 또는 타측의 물 발생 또는 온도에 대한 상태를 감지하는 상태감지부와, 상기 상태감지부에 의해 감지되는 상태에 따라 상기 제1냉각팬 및 제2냉각팬의 작동을 서로 전환시키는 작동전환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 운전시스템에 있어서, 상기 제1냉각부는 스택 일측에서의 물 발생을 감지하는 제1물감지센서를 포함하고, 상기 제2냉각부는 스택 타측에서의 물 발생을 감지하는 제2물감지센서를 포함하며, 상기 상태감지부는 스택의 물 발생 감지정보를 수신하는 물감지수신모듈과, 스택에서 물 발생이 감지되는 경우 상기 작동전환부에 의해 제1,2냉각팬의 작동 전환을 지시하는 작동전환지시모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 운전시스템에 있어서, 상기 제1냉각부는 스택 일측의 온도를 측정하는 제1온도센서를 포함하고, 상기 제2냉각부는 스택 타측의 온도를 측정하는 제2온도센서를 포함하며, 상기 상태감지부는 스택의 일측 또는 타측에서 가장 낮은 온도정보를 수신하는 저온정보수신모듈과, 상기 저온정보수신모듈에 의해 수신된 온도정보를 설정된 온도와 비교하는 설정값비교모듈과, 수신된 온도가 설정값 미만에서 연속되는 시간을 측정하는 연속시간측정모듈과, 상기 연속시간측정모듈에 의해 측정되는 연속시간이 설정된 시간을 초과하는 경우 상기 작동전환부에 의해 제1,2냉각팬의 작동 전환을 지시하는 작동전환지시모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 운전시스템에 있어서, 상기 제1냉각부는 스택 일측의 온도를 측정하는 제1온도센서를 포함하고, 상기 제2냉각부는 스택 타측의 온도를 측정하는 제2온도센서를 포함하며, 상기 상태감지부는 스택의 일측 또는 타측에서 가장 높은 온도정보를 수신하는 고온정보수신모듈과, 상기 고온정보수신모듈에 의해 수신된 온도정보를 스택의 목표 온도와 비교하는 목표온도비교모듈과, 수신된 온도가 목표온도로부터 일정 범위를 초과하는 경우 상기 작동전환부에 의해 제1,2냉각팬의 작동 전환을 지시하는 작동전환지시모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 운전시스템에 있어서, 상기 작동전환부는 상기 작동전환지시모듈에 의해 제1,2냉각팬의 작동 전환이 지시되는 경우 현재 작동중인 냉각팬을 인지하는 작동팬인지모듈과, 현재 작동중인 냉각팬의 작동을 중단하고 반대측 냉각팬의 작동을 개시하는 냉각팬전환모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 운전방법은 수소 연료전지의 작동을 개시하는 작동개시단계와, 공기가 입출되는 스택의 일측 또는 타측의 물 발생 또는 온도에 관한 상태를 감지하는 상태감지단계와, 상기 상태감지단계에 의한 상태 감지에 따라 스택의 일측 및 타측에서 각각 일측 및 타측 방향으로 공기를 순환시키는 제1냉각팬 및 제2냉각팬의 작동을 조절하는 작동전환단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 운전방법에 있어서, 상기 상태감지단계는 스택의 일측 또는 타측의 물 발생을 감지하는 물감지단계와, 물이 감지되지 않더라도 스택의 일측 또는 타측에서 온도가 설정값 미만으로 떨어지는 것을 감지하는 저온감지단계와, 저온감지단계에서 온도가 설정값 미만으로 떨어지는 것이 감지되는 경우 그 연속시간을 측정하는 연속시간측정단계와, 물이 감지되거나 연속시간이 설정된 시간을 초과하는 경우 제1냉각팬 및 제2냉각팬의 작동 전환을 지시하는 작동전환지시단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 운전방법에 있어서, 상기 상태감지단계는 스택의 일측 또는 타측에서 온도가 목표 온도의 일정 범위를 초과하여 상승하는 것을 감지하는 고온감지단계와, 상기 고온감지단계에서 고온이 감지되는 경우 제1냉각팬 및 제2냉각팬의 작동 전환을 지시하는 작동전환지시단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 운전방법에 있어서, 상기 작동전환단계는 상기 작동전환지시단계에서 제1,2냉각팬의 작동 전환이 지시되는 경우 현재 작동중인 냉각팬을 인지하는 작동팬인지단계와, 현재 작동중인 냉각팬의 작동을 중단하고 반대측 냉각팬의 작동을 개시하는 냉각팬전환단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 공기가 입출되는 스택의 양측에 냉각을 위한 공기를 각각 반대 방향으로 순환시키는 제1,2냉각부가 형성되도록 하고, 스택에서의 물 발생 또는 온도에 따라 제1,2냉각부의 작동을 전환하여 공기 입출구의 변경이 이루어지도록 함으로써, 대기 온도에 상관없이 Flooding 현상을 억제하고 전극의 손상을 방지하며 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 공기의 입구측에서 일정 정도 이상 물이 발생하는 경우 공기의 입구를 고온의 출구로 전환하여 물의 제거가 이루어지도록 함으로써 Flooding 현상을 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 스택에서 물이 발생하기 전이라도 공기 입구측의 온도가 설정값 아래에서 일정시간을 초과하여 지속되는 경우에는 공기 입출구의 변경을 통해 입구측 온도를 상승시켜 Flooding 현상을 미리 차단할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 공기 출구측의 온도가 목표온도의 일정 범위를 초과하여 상승하는 경우 즉각 공기의 입출구의 변경이 이루어지도록 함으로써, 고온에 의한 Hot spot의 생성과 전극의 손상을 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래 연료전지 스택의 냉각 구조 및 과정을 나타내는 참고도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료전지 운전시스템의 구성도
도 3은 도 2의 제어부의 구성을 나타내는 블럭도
도 4는 도 3의 상태감지부의 구성을 나타내는 블럭도
도 5는 도 3의 작동전환부의 구성을 나타내는 블럭도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료전지 운전방법의 순서도
도 7은 도 6의 상태감지단계의 과정을 나타내는 순서도
도 8은 도 6의 작동전환단계의 과정을 나타내는 순서도
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료전지 운전방법의 과정을 설명하기 위한 참고도
이하에서는 본 발명에 따른 수소 연료전지 운전시스템 및 이를 이용한 운전방법의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하고, 또한 명세서에 기재된 "...부", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료전지 운전시스템을 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 상기 수소 연료전지 운전시스템은 연료전지 셀이 적층되어 수소의 공급을 통해 전기를 발생시키는 스택(1)과, 상기 스택(1)의 일측에 형성되어 제1냉각팬(21)을 통해 일측 방향(A) 방향으로 스택의 공기 순환이 이루어지도록 하는 제1냉각부(2)와, 상기 스택(1)의 타측에 형성되어 제2냉각팬(31)을 통해 타측 방향(B)으로 스택(1)의 공기 순환이 이루어지도록 하는 제2냉각부(3)와, 연료전지의 작동을 조절하는 제어부(4)를 포함한다.
종래 공냉식 연료전지의 냉각시스템은 도 1에서 보는 바와 같이 일측에 냉각팬(200)을 설치하여 타측에서 공기가 유입되어 일측으로 배출되는 구조를 가지고 있으며, 이에 따라 공기가 스택(1)으로 유입되는 입구측의 온도가 낮고 스택(1)으로부터 배출되는 출구측의 온도가 높을 수밖에 없었다. 따라서, 외부 공기의 순환을 통해 스택(100)을 냉각하는 공냉식 연료전지에 있어서는 스택(1)의 냉각이 대기의 온도에 종속적일 수밖에 없으며, 대기의 온도가 낮은 경우에는 스택(1)의 입구측에서 극심한 수분 응축이 발생하여 Flooding 현상을 초래하고, 대기의 온도가 높은 경우에는 스택(1) 출구측의 온도가 과도하게 상승하여 전극의 손상을 초래하는 문제가 발생할 수밖에 없다. 따라서, 종래 공냉식 연료전지는 그 출력범위를 제한하여 성능에 한계를 가질 수밖에 없으며, 내구성이 낮고, 특히 겨울철에는 정상적인 성능을 발휘하지 못하는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명에서는 스택(1)의 양측에 제1,2냉각부(2,3)를 형성하도록 하면서 스택(1) 내에 과도한 수분 응축이 발생하여 Flooding 현상이 감지되는 경우에는 작동중인 제1,2냉각부(2,3)를 전환시켜 공기의 입구와 출구가 서로 변경되도록 한다. 따라서, 낮은 온도의 공기 입구는 높은 온도의 공기 출구로 변경되어 응축수의 제거가 이루어질 수 있고, 이를 통해 Flooding 현상에 의한 손상, 성능 저하를 방지하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 Flooding이 감지되기 전이라도 공기 입구측의 온도가 과도하게 낮아진 상태에서 지속되거나 공기 출구측의 온도가 과도하게 상승하는 경우에도 제1,2냉각부(2,3)의 작동 전환을 통해 공기 입출구를 변경시켜 Flooding 현상 발생을 차단하고 Hot spot 생성에 의한 전극 손상을 방지하도록 할 수 있다.
상기 스택(1)은 연료전지 셀이 적층되어 형성되는 구성으로, 수소 및 공기의 공급을 통해 전력이 생산되며, 공기의 순환을 통해 냉각이 이루어질 수 있도록 한다.
상기 제1냉각부(2)는 스택(1)의 일측에 형성되어 스택(1)을 통한 공기의 순환이 이루어지도록 하는 구성으로, 타측으로부터 공기가 유입되어 일측으로 공기가 배출되도록 한다. 또한, 상기 제1냉각부(2)는 스택(1)의 일측에서 물이 형성되는 것을 감지하여 Flooding 현상을 인식할 수 있도록 하고, 온도의 감지도 이루어지도록 하여 과도하게 낮거나 높은 온도의 발생을 미리 감지하여 냉각부의 전환이 이루어질 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 제1냉각부(2)는 제1냉각팬(21), 제1물감지센서(22), 제1온도센서(23)를 포함할 수 있다.
상기 제1냉각팬(21)은 회전을 통해 공기를 유동시키는 구성으로, 스택(1)의 일측에 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제1냉각팬(21)은 스택(1)의 타측으로부터 일측 방향(A)으로의 공기 유동을 발생시키도록 하며, 스택(1)의 타측으로 냉각을 위한 공기가 유입되어 스택(1)을 냉각하고, 냉각을 마쳐 온도가 상승된 공기가 일측을 통해 외부로 배출되도록 한다.
상기 제1물감지센서(22)는 스택(1)에서의 응축수 발생을 감지하는 구성으로, 수분의 측정이 가능한 센서가 적용될 수 있으며, 일정 정도 이상의 응축수가 발생하는 것을 감지할 수 있도록 한다.
상기 제1온도센서(23)는 스택(1) 일측의 온도를 측정하는 구성으로, 스택(1)의 일측이 과도하게 낮거나 높은 온도를 갖게 되는 것을 감지할 수 있도록 한다.
제2냉각부(3)는 스택(1)의 타측, 즉 제1냉각부(2)의 반대측에 형성되어 스택(1)을 통한 공기의 순환이 이루어지도록 하는 구성으로, 제1냉각부(2)와는 반대로 일측으로부터 공기가 유입되어 타측으로 공기가 배출되도록 한다. 따라서, 상기 제2냉각부(3)는 스택(1)으로 공기가 유입되는 입구와 배출되는 출구가 제1냉각부(2)와 반대로 형성될 수 있도록 하며, 이를 통해 스택(1) 내에 발생한 응축수를 제거하고 과도하게 낮거나 높은 온도가 발생하는 것을 차단할 수 있도록 한다. 상기 제2냉각부(3)는 제1냉각부(2)와 반대측에 형성되는 것을 제외하면 제1냉각부(2)와 동일한 구성을 가지며, 제2냉각팬(31), 제2물감지센서(32), 제2온도센서(33)를 포함하도록 한다. 상기 제2냉각팬(31), 제2물감지센서(32), 제2온도센서(33)에 관한 설명은 제1냉각부(2)와 같으므로 이하 생략한다.
상기 제어부(4)은 연료전지의 작동을 조절하는 구성으로, 더욱 정확하게는 상기 제1,2냉각부(2,3)의 작동을 조절하도록 한다. 상기 제어부(4)는 스택(1)의 상태를 감지하여 작동되는 제1,2냉각부(2,3)의 전환이 이루어지도록 하며, 스택(1)에 일정정도 이상의 응축수가 발생하거나 과도하게 낮거나 높은 온도가 감지되는 경우 제1,2냉각부(2,3)의 작동 전환이 이루어지도록 한다. 이를 위해, 상기 제어부(4)는 상태감지부(41), 작동전환부(42)를 포함할 수 있다.
상기 상태감지부(41)는 스택(1)의 상태를 감지하는 구성으로, 일정정도 이상의 응축수가 발생하거나 과도하게 낮은 온도가 지속되거나 과도하게 높은 온도로 상승되는 것을 감지하도록 하며, 이러한 경우 제1,2냉각팬(21,31)의 작동을 전환하여 공기의 입출구 변경이 이루어지도록 한다. 이를 위해, 상기 상태감지부(41)는 물감지수신모듈(411), 저온정보수신모듈(412), 설정값비교모듈(413), 연속시간측정모듈(414), 목표온도비교모듈(416), 작동전환지시모듈(417)을 포함할 수 있다.
상기 물감지수신모듈(411)은 일정정도 이상의 응축수가 발생하는 정보를 수신하는 구성으로, 상기 제1물감지센서(22), 제2물감지센서(32)에 의해 측정되는 물 발생 정보를 수신하도록 한다. 따라서, 상기 물감지수신모듈(411)은 스택(1)의 일측 또는 타측에서 일정정도 이상의 응축수가 발생하는 정보를 수신할 수 있으며, 응축수가 발생하는 경우 제1,2냉각팬(21,31)의 작동 전환이 이루어지도록 하여 응축수의 제거가 이루어지도록 한다. 다시 말해, 응축수는 온도가 낮은 공기의 입구측에서 발생하게 되므로, 냉각팬의 작동 전환을 통해 공기 입구측을 출구측으로 전환하도록 하여 응축수가 발생한 위치의 온도를 상승시키도록 함으로써 응축수의 제거가 이루어질 수 있도록 한다. 또한, 상기 물감지수신모듈(411)은 공기의 입구가 어디인지에 상관없이 상기 제1,2물감지수신모듈(411)로부터 응축수 발생 정보를 수신하여 공기 입출구의 전환이 이루어지도록 하므로, 현재 작동중인 냉각팬이 어느 방향인지에 상관없이 응축수의 제거가 이루어지도록 할 수 있다.
상기 저온정보수신모듈(412)은 스택(1)의 가장 낮은 온도 정보를 수신하는 구성으로, 일측 또는 타측의 제1온도센서(23), 제2온도센서(33)에 의해 측정되는 온도 중 가장 낮은 온도 정보를 수신하도록 한다. 따라서, 상기 저온정보수신모듈(412)은 스택(1)에서 공기가 유입되는 측의 온도정보를 수신할 수 있으며, 수신된 온도가 과도하게 낮은 온도인지를 판단할 수 있게 된다.
상기 설정값비교모듈(413)은 저온정보수신모듈(412)에 의해 수신된 온도를 설정값과 비교하는 구성으로, 일 예로 설정값은 영상 5~10℃의 범위로 설정될 수 있다. 상기 설정값비교모듈(413)은 수신된 온도가 설정값 미만인지 여부를 판단하도록 하며, 수신된 온도가 설정값 미만인 경우 그 지속시간의 측정이 이루어지도록 한다.
상기 연속시간측정모듈(414)은 온도가 설정값 미만에서 지속되는 시간을 측정하는 구성으로, 지속되는 시간이 설정된 시간을 초과하는 경우 작동되는 냉각팬의 전환이 이루어질 수 있도록 한다. 따라서, 스택(1)에서 아직 일정정도의 응축수가 발생하지는 않더라도 공기 입구측에서의 온도가 설정값 미만에서 지속되는 경우에는 응축수가 발생할 위험이 높으므로, 미리 이를 인지하여 냉각팬의 작동 전환이 이루어지도록 함으로써 응축수의 발생을 미리 차단할 수 있도록 한다. 다시 말해, 냉각팬의 작동 전환을 통해 공기 입출구가 변경되는 경우에는 과도하게 낮은 온도가 지속되는 공기 입구가 출구로 변경되어 그 온도가 상승하게 되므로, 응축수의 발생이 차단되도록 할 수 있다.
상기 고온정보수신모듈(415)은 스택(1)의 가장 높은 온도 정보를 수신하는 구성으로, 일측 또는 타측의 제1온도센서(23), 제2온도센서(33)에 의해 측정되는 온도 중 가장 높은 온도 정보를 수신하도록 한다. 따라서, 상기 고온정보수신모듈(415)은 스택(1)에서 공기가 배출되는 측의 온도정보를 수신할 수 있으며, 수신된 온도가 과도하게 높은 온도인지를 판단할 수 있게 된다.
상기 목표온도비교모듈(416)은 고온정보수신모듈(415)에 의해 수신된 온도를 목표온도와 비교하는 구성으로, 목표온도를 초과하는 정도를 산출할 수 있도록 한다. 여기서 목표온도라 함은 스택(1) 온도의 과도한 상승을 방지하기 위한 최대 온도로 설정된 온도로, 상기 목표온도비교모듈(416)은 목표온도에서 1~3℃ 범위를 초과하는지 여부를 판단할 수 있도록 한다. 상기 목표온도비교모듈(416)은 스택(1)의 온도가 목표온도에서 해당 범위를 초과하는 경우 즉각적으로 냉각팬의 작동을 전환하여 공기 입출구의 변경이 이루어지도록 하고, 이를 통해 공기출구측의 온도를 낮추어 고온에 의한 전극의 손상을 방지하도록 할 수 있다.
상기 작동전환지시모듈(417)은 상기 작동전환부(42)에 의한 냉각팬의 작동 전환을 지시하는 구성으로, 일정 정도 이상의 응축수가 감지되거나, 설정값 미만의 온도에서 설정된 시간을 초과하여 지속되거나, 목표온도를 일정범위 이상 초과하는 경우 작동 전환이 지시가 이루어지도록 할 수 있다.
상기 작동전환부(42)는 냉각팬의 작동을 전환하는 구성으로, 상기 작동전환지시모듈(417)의 지시에 따라 작동 전환이 이루어지도록 한다. 상기 작동전환부(42)는 제1냉각팬(21)이 작동중인 경우 제1냉각팬(21)의 작동을 중단하고 제2냉각팬(31)을 작동시키도록 하며, 제2냉각팬(31)이 작동중인 경우 제2냉각팬(31)의 작동을 중단하고 제1냉각팬(21)의 작동이 이루어지도록 한다. 따라서, 상기 작동전환부(42)는 작동팬인지모듈(421)을 통해 현재 작동중인 냉각팬이 제1냉각팬(21)인지 제2냉각팬(31)인지 여부를 판단하도록 하며, 작동중인 냉각판을 인지한 후 냉각팬전환모듈(422)에 의해 제1,2냉각팬(21,31)의 작동 전환이 이루어지도록 한다. 상기 냉각팬전환모듈(422)에 의한 제1,2냉각팬(21,31)의 작동 전환을 통해 스택(1)에 대한 공기의 입출구가 변경되며, 온도가 낮았던 공기의 입구는 높은 온도의 공기 출구로 변경되고, 온도가 높았던 공기의 출구는 낮은 온도의 공기 입구로 변경된다. 이를 통해, 상기 작동전환부(42)는 발생된 응축수를 제거할 수 있고, 공기 입구의 과도하게 낮은 온도를 상승시킬 수 있으며, 공기 출구의 과도하게 높은 온도를 낮추도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료전지 운전시스템을 이용한 수소 연료전지 운전방법을 도 6 내지 도 9를 참조하여 설명하면, 상기 운전방법은 수소 연료전지의 작동을 개시하는 작동개시단계(S1)와, 공기가 입출되는 스택(1)의 일측 또는 타측의 물 발생 또는 온도에 관한 상태를 감지하는 상태감지단계(S2)와, 상기 상태감지단계(S2)에 의한 상태 감지에 따라 스택(1)의 일측 및 타측에서 각각 일측 및 타측 방향으로 공기를 순환시키는 제1냉각팬(21) 및 제2냉각팬(31)의 작동을 조절하는 작동전환단계(S3)를 포함한다.
상기 작동개시단계(S1)는 수소 연료전지의 작동이 개시되는 과정으로, 스택(1)에 대한 수소의 공급과 함께 제1냉각팬(21) 또는 제2냉각팬(31)의 작동이 개시되어 공기의 공급과 스택(1)의 냉각이 이루어지도록 하고, 이를 통해 스택(1)의 발전이 이루어지도록 한다.
상기 상태감지단계(S2)는 스택(1)의 상태를 감지하는 과정으로, 스택(1)에서의 물 발생 여부, 온도의 감지가 이루어지도록 한다. 상기 상태감지단계(S2)는 먼저 스택(1)에서 과도한 응축수가 발생하는지 여부를 감지하도록 하며, 과도한 응축수가 발생하지 않더라도 과도하게 낮은 온도가 지속되는 경우에는 이를 감지하여 냉각팬의 작동이 전환될 수 있도록 한다. 또한, 상기 상태감지단계(S2)는 스택(1)의 온도가 과도하게 상승하는 것을 감지하여 냉각팬의 전환이 이루어지도록 한다. 이를 위해, 상기 상태감지단계(S2)는 물감지단계(S21), 저온감지단계(S22), 연속시간측정단계(S23), 고온감지단계(S24), 작동전환지시단계(S25)를 포함할 수 있다.
상기 물감지단계(S21)는 스택(1) 내에서의 응축수 발생을 감지하는 과정으로, 스택(1)의 양측에 형성되는 제1물감지센서(22), 제2물감지센서(32)에 의해 감지가 이루어지도록 할 수 있으며, 일정 정도 이상의 응축수가 발생하는 것을 감지하도록 할 수 있다.
상기 저온감지단계(S22)는 스택(1)에서 과도하게 온도가 떨어지는 것을 감지하는 과정으로, 상기 제1,2온도센서(23,33)에 의해 측정되는 온도 정보를 이용하여 감지가 이루어지도록 한다. 상기 저온감지단계(S22)는 제1온도센서(23) 또는 제2온도센서(33)에 의해 감지되는 온도가 설정된 온도 미만이 되는 것을 감지하도록 하며, 일 예로 영상 5~10℃ 미만의 온도를 감지하도록 할 수 있다.
상기 연속시간측정단계(S23)는 저온감지단계(S22)에서 설정값 미만의 온도가 감지되는 경우 그 연속시간을 측정하는 과정으로, 설정값 미만의 온도가 설정된 시간을 초과하여 지속되는지 여부를 감지하도록 한다.
상기 고온감지단계(S24)는 스택(1)에서 과도하게 온도가 상승하는 것을 감지하는 과정으로, 상기 제1,2온도센서(23,33)에 의해 측정되는 온도 정보를 이용하여 감지가 이루어지도록 한다. 상기 고온감지단계(S24)는 제1온도센서(23) 또는 제2온도센서(33)에 의해 감지되는 온도가 목표온도의 일정범위를 초과하는 것을 감지하도록 하며, 일 예로 목표온도에서 1~3℃를 초과하는 온도를 감지하도록 할 수 있다.
상기 작동전환지시단계(S25)는 작동 중인 냉각팬의 작동 전환을 지시하는 과정으로, 상기 작동전환단계(S3)를 통해 작동 전환을 지시하도록 한다. 상기 작동전환지시단계(S25)는 물감지단계(S21)에서 일정정도 이상의 응축수가 감지되거나, 상기 저온감지단계(S22) 및 연속시간측정단계(S23)에서 설정값 미만의 온도가 설정된 시간을 초과하여 지속되는 것을 감지되는 경우, 또는 고온감지단계(S24)에서 목표온도의 일정 범위를 초과하는 것이 감지되는 경우 냉각팬의 작동 전환을 지시하도록 할 수 있다.
상기 작동전환단계(S3)는 냉각팬의 작동을 전환하는 과정으로, 상기 작동전환지시단계(S25)에서 작동 전환의 지시가 발생하는 경우 작동의 전환이 이루어지도록 한다. 상기 작동전환단계(S3)는 제1냉각팬(21)이 작동중인 경우 제1냉각팬(21)의 작동을 중단하고 제2냉각팬(31)을 작동시키도록 하며, 제2냉각팬(31)이 작동중인 경우 제2냉각팬(31)의 작동을 중단하고 제1냉각팬을 작동시키도록 한다. 따라서, 상기 작동전환단계(S3)는 스택(1)을 순환하는 공기의 입출구가 변경되도록 하며, 이를 통해 공기 입구가 출구로 변경되어 온도를 상승시킴으로써 응축수의 제거 또는 응축수 발생의 차단이 이루어지도록 하고, 공기 출구가 입구로 변경되어 과도하게 상승된 온도를 낮출 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 작동전환단계(S3)는 작동팬인지단계(S31), 냉각팬전환단계(S32)를 포함한다.
상기 작동팬인지단계(S31)는 현재 작동중인 냉각팬을 인지하는 과정으로, 현재 작동중인 냉각팬이 제1냉각팬(21)인지 제2냉각팬인지를 인지하도록 한다.
상기 냉각팬전환단계(S32)는 작동되는 냉각팬을 전환시키는 과정으로, 상기 작동팬인지단계(S31)에서 작동중인 냉각팬이 제1냉각팬(21)으로 인지되는 경우 제1냉각팬(21)의 작동을 중단하고 제2냉각팬(31)을 작동시키도록 하며, 작동중인 냉각팬이 제2냉각팬(31)인 경우 제2냉각팬(31)의 작동을 중단하고 제1냉각팬(21)을 작동시키도록 한다. 따라서, 상기 냉각팬전환단계(S32)는 냉각팬 전환에 따른 공기 입출구의 변경을 통해 발생된 응축수를 제거하고, 과도하게 낮아진 공기 입구의 온도를 높여 응축수 발생을 차단하며, 과도하게 높여진 공기 출구의 온도를 낮춰 Hot spot 발생에 의한 전극 손상을 방지하도록 할 수 있다.
이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
1: 스택 2: 제1냉각부
21: 제1냉각팬 22: 제1물감지센서
23: 제1온도센서 3: 제2냉각부
31: 제2냉각팬 32: 제2물감지센서
33: 제2온도센서 4: 제어부
41: 상태감지부 411: 물감지수신모듈
412: 저온정보수신모듈 413: 설정값비교모듈
414: 연속시간측정모듈 415: 고온정보수신모듈
416: 목표온도비교모듈 417: 작동전환지시모듈
42: 작동전환부 421: 작동팬인지모듈
422: 냉각팬전환모듈
S1: 작동개시단계 S2: 상태감지단계
S21: 물감지단계 S22: 저온감지단계
S23: 연속시간측정단계 S24: 고온감지단계
S25: 작동전환지시단계 S3: 작동전환단계
S31: 작동팬인지단계 S32: 냉각팬전환단계

Claims (10)

  1. 연료전지 셀이 적층되어 수소의 공급을 통해 전기를 발생시키는 스택과,
    상기 스택의 일측에 형성되어 제1냉각팬을 통해 일측 방향으로 스택의 공기 순환이 이루어지도록 하는 제1냉각부와,
    상기 스택의 타측에 형성되어 제2냉각팬을 통해 타측 방향으로 스택의 공기 순환이 이루어지도록 하는 제2냉각부와,
    연료전지의 작동을 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 스택 내의 물 발생 또는 온도에 따라 제1냉각팬 및 제2냉각팬의 작동을 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 운전시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    공기가 입출되는 스택의 일측 또는 타측의 물 발생 또는 온도에 대한 상태를 감지하는 상태감지부와, 상기 상태감지부에 의해 감지되는 상태에 따라 상기 제1냉각팬 및 제2냉각팬의 작동을 서로 전환시키는 작동전환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 운전시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제1냉각부는
    스택 일측에서의 물 발생을 감지하는 제1물감지센서를 포함하고,
    상기 제2냉각부는 스택 타측에서의 물 발생을 감지하는 제2물감지센서를 포함하며,
    상기 상태감지부는
    스택의 물 발생 감지정보를 수신하는 물감지수신모듈과, 스택에서 물 발생이 감지되는 경우 상기 작동전환부에 의해 제1,2냉각팬의 작동 전환을 지시하는 작동전환지시모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 운전시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제1냉각부는
    스택 일측의 온도를 측정하는 제1온도센서를 포함하고,
    상기 제2냉각부는 스택 타측의 온도를 측정하는 제2온도센서를 포함하며,
    상기 상태감지부는,
    스택의 일측 또는 타측에서 가장 낮은 온도정보를 수신하는 저온정보수신모듈과, 상기 저온정보수신모듈에 의해 수신된 온도정보를 설정된 온도와 비교하는 설정값비교모듈과, 수신된 온도가 설정값 미만에서 연속되는 시간을 측정하는 연속시간측정모듈과, 상기 연속시간측정모듈에 의해 측정되는 연속시간이 설정된 시간을 초과하는 경우 상기 작동전환부에 의해 제1,2냉각팬의 작동 전환을 지시하는 작동전환지시모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 운전시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제1냉각부는
    스택 일측의 온도를 측정하는 제1온도센서를 포함하고,
    상기 제2냉각부는 스택 타측의 온도를 측정하는 제2온도센서를 포함하며,
    상기 상태감지부는,
    스택의 일측 또는 타측에서 가장 높은 온도정보를 수신하는 고온정보수신모듈과, 상기 고온정보수신모듈에 의해 수신된 온도정보를 스택의 목표 온도와 비교하는 목표온도비교모듈과, 수신된 온도가 목표온도로부터 일정 범위를 초과하는 경우 상기 작동전환부에 의해 제1,2냉각팬의 작동 전환을 지시하는 작동전환지시모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 운전시스템.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동전환부는
    상기 작동전환지시모듈에 의해 제1,2냉각팬의 작동 전환이 지시되는 경우 현재 작동중인 냉각팬을 인지하는 작동팬인지모듈과, 현재 작동중인 냉각팬의 작동을 중단하고 반대측 냉각팬의 작동을 개시하는 냉각팬전환모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 운전시스템.
  7. 수소 연료전지의 작동을 개시하는 작동개시단계와,
    공기가 입출되는 스택의 일측 또는 타측의 물 발생 또는 온도에 관한 상태를 감지하는 상태감지단계와,
    상기 상태감지단계에 의한 상태 감지에 따라 스택의 일측 및 타측에서 각각 일측 및 타측 방향으로 공기를 순환시키는 제1냉각팬 및 제2냉각팬의 작동을 조절하는 작동전환단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 운전방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 상태감지단계는
    스택의 일측 또는 타측의 물 발생을 감지하는 물감지단계와, 물이 감지되지 않더라도 스택의 일측 또는 타측에서 온도가 설정값 미만으로 떨어지는 것을 감지하는 저온감지단계와, 저온감지단계에서 온도가 설정값 미만으로 떨어지는 것이 감지되는 경우 그 연속시간을 측정하는 연속시간측정단계와, 물이 감지되거나 연속시간이 설정된 시간을 초과하는 경우 제1냉각팬 및 제2냉각팬의 작동 전환을 지시하는 작동전환지시단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 운전방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 상태감지단계는
    스택의 일측 또는 타측에서 온도가 목표 온도의 일정 범위를 초과하여 상승하는 것을 감지하는 고온감지단계와, 상기 고온감지단계에서 고온이 감지되는 경우 제1냉각팬 및 제2냉각팬의 작동 전환을 지시하는 작동전환지시단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 운전방법.
  10. 제 8 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동전환단계는
    상기 작동전환지시단계에서 제1,2냉각팬의 작동 전환이 지시되는 경우 현재 작동중인 냉각팬을 인지하는 작동팬인지단계와, 현재 작동중인 냉각팬의 작동을 중단하고 반대측 냉각팬의 작동을 개시하는 냉각팬전환단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 운전방법.
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