KR20170001192A - 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법 - Google Patents

연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법에 관한 것으로서, 연료전지 스택의 수소측과 공기측 사이의 차압을 적절히 유지하여 수소 퍼지를 가능하게 하면서도 수소의 크로스-오버량을 최소화하고, 수소극 출구와 공기극 출구의 차압을 이용하는 수소 퍼지에 있어 퍼지밸브 1회 개방시의 수소 배출량을 줄임으로써, 수소 이용률과 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 연료전지 시스템의 운전시 연료전지 스택의 공기극 입, 출구 압력과 수소극 출구 압력을 제어함에 있어서 연료전지 스택의 수소극 출구 압력을 공기극 입구 압력보다 낮고 공기극 출구 압력보다는 높게 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법이 개시된다.

Description

연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법{Method for controlling operation pressure of fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 수소측과 공기측 사이의 차압을 적절히 유지하여 수소의 크로스-오버량을 최소화하고, 수소극 출구와 공기극 출구의 차압을 이용하는 수소 퍼지시 수소 배출량을 줄임으로써, 수소 이용률과 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로서, 산업용, 가정용 및 차량용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 휴대기기의 전력을 공급하는 데에도 이용될 수 있다.
현재 차량용 연료전지로는 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 가장 많이 연구되고 있다.
고분자 전해질막 연료전지에서는 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체(MEA:Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 상기 막전극접합체는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode)(= 공기극) 및 애노드(Anode)(= 수소극)로 구성되어 있다.
또한, 막전극접합체의 바깥부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥부분에 가스확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 가스확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료 가스인 수소와 산화제 가스인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Bipolar Plate)이 위치된다.
또한, 분리판 사이에는 유체의 실(Seal)을 위한 가스켓 등이 개재되도록 적층되며, 이러한 구성을 단위 셀(Cell)로 하여 복수의 셀들을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에는 셀들을 지지하기 위한 엔드 플레이트(End Plate)를 결합하고, 엔드 플레이트 사이에 셀들을 배열하여 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.
각 단위 셀은 운전시 낮은 전압을 유지하므로 전압을 높이기 위해 수십 ~ 수백 개의 셀들을 직렬로 적층하여 스택 형태로 제작한 뒤 발전장치로 사용한다.
또한, 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은 상기한 연료전지 스택 및 반응가스를 공급하기 위한 장치들로 구성되며, 도 1은 연료전지 시스템을 예시한 구성도이다.
도시된 바와 같이, 연료전지 시스템은 반응가스의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택(10), 연료전지 스택(10)에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치(20), 연료전지 스택(10)에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치(30), 연료전지 스택(10)의 운전 온도를 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템(40), 그리고 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기(미도시)를 포함한다.
통상의 연료전지 시스템에서 수소공급장치(20)는 수소저장부(수소탱크)(미도시), 레귤레이터(미도시), 수소압력조절밸브(21), 수소재순환장치(22) 등을 포함하고, 공기공급장치(30)는 공기블로워(상압형)나 공기압축기(가압형)(32), 가습기(33) 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템은 워터트랩(41), 그리고 미도시된 전동물펌프(냉각수 펌프)와 물탱크, 라디에이터 등을 포함한다.
수소공급장치(20)에서 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소는 레귤레이터에서 일정 압력으로 감압된 후 연료전지 스택(10)에 공급되는데, 이때 감압된 수소는 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 압력 제어를 통해 공급량이 제어된 상태로 연료전지 스택에 공급된다.
즉, 수소탱크로부터 레귤레이터를 거친 수소는 스택 수소극 입구측의 수소압력조절밸브(21)에 의해 압력 조절된 후 연료전지 스택(10)으로 공급되며, 수소압력조절밸브(21)는 레귤레이터에 의해 감압된 수소를 스택 운전 조건에 적절한 압력으로 조절하도록 제어되고, 이때 제어기가 스택의 수소극 입, 출구측에 설치된 2개의 수소압력센서(25,26) 값을 피드백 받아 수소압력조절밸브(21)를 제어한다.
또한, 연료전지 스택(10)에서 반응 후 남은 수소는 스택의 수소극(애노드) 출구를 통해 배출되거나, 수소재순환장치(22)에 의해 스택의 수소극 입구로 재순환된다.
수소재순환장치(22)는 수소 공급의 신뢰성을 높이고 연료전지의 수명을 향상시킬 수 있는 장치로, 재순환 방법에 여러 가지가 있으나, 이젝터(23)를 이용하는 방식, 블로워를 이용하는 방식, 이젝터와 불로워를 함께 이용하는 방식 등이 알려져 있다.
이러한 수소재순환장치(22)는 연료전지 스택(10)의 수소극(애노드)에서 사용하고 남은 미반응 수소를 재순환 배관(24)을 통해 다시 수소극으로 재순환시킴으로써 수소의 재사용을 도모한다.
또한, 연료전지에서는 스택 내부의 전해질막을 통해 수소극으로 넘어오는 질소, 물 및 수증기 등의 이물질이 많아질수록 수소극 내의 수소량이 줄어들게 되어 반응효율이 떨어지며, 따라서 정해진 주기에 맞추어 퍼지밸브(27)를 열어 퍼지를 실시한다.
즉, 연료전지 스택(10)의 수소극 출구측 배관에 수소 퍼지를 위한 퍼지밸브(27)를 설치하여 수소극의 수소를 주기적으로 배출함으로써 연료전지 스택으로부터 질소, 물 등의 이물질을 함께 배출 및 제거하고, 수소 이용률을 높이는 것이다.
이와 같이 연료전지 스택 내 이물질의 배출시에는 수소 농도 증가, 수소 이용률 증대, 가스 확산도 및 반응성 향상의 장점이 있게 된다.
또한, 연료전지 시스템을 운전하는 방식은 크게 상압형 및 가압형으로 구분할 수 있고, 각 운전 방식에서 연료전지 스택의 운전압력은 전체 성능에 지배적인 영향을 주는 요소 중 하나로 작용한다.
상압형 연료전지 시스템의 경우 스택의 공기극(cathode)에 상압의 공기를 공급하기 위해 일반적으로 공기블로워(air blower)를 이용하고 있으며, 가압형 연료전지 시스템의 경우 스택의 공기극에 상압보다 높은 압력의 공기를 공급할 수 있도록 공기압축기(air compressor)(32)를 이용하고 있다.
또한, 가압형 연료전지 시스템에서는 필터(31)를 통과한 공기를 공기압축기(32)를 이용하여 연료전지 스택(10)의 공기극에 공급함과 더불어, 스택의 공기극 출구측 배관에 장착된 공기압력조절밸브(34)를 이용하여 공기극 출구 압력을 제어하도록 되어 있다.
한편, 연료전지 시스템 내 수소 농도 개선을 위해 퍼지밸브(27)를 이용하여 수소극에 대해 주기적으로 실시하는 수소 퍼지는 수소측과 공기측의 차압을 이용한다.
이때, 차압이 증가할수록 상시 운전 구간에서 연료전지 스택 내 MEA를 통해 수소극으로부터 공기극으로 크로스-오버(cross-over)되는 수소의 양이 증가하며, 이는 수소의 이용률을 저하시킨다.
이에 수소측과 공기측의 차압을 적절히 유지하여 수소 퍼지를 가능하게 하면서도 수소의 크로스-오버량을 최소화하는 운전 기술이 필요하다.
종래에는 수소측 운전압력을 공기측 운전압력 대비 상시 높게 유지하였으며, 이 경우 수소극 출구와 공기극 출구의 운전압력 차이를 이용한 수소 퍼지가 가능하여 시스템 운전의 안정성 확보에 유리하다.
다만, 공기 유량 증가로 인해 도 2에 나타낸 바와 같이 운전압력이 증가하면 수소극 출구와 공기극 출구의 차압 증가로 퍼지밸브 개방시의 수소 1회 퍼지 유량이 점차 증가하고, 수소 운전압력이 상승하므로 수소극에서 공기극으로 크로스-오버되는 수소의 양이 점차 증가하게 된다.
이러한 수소 퍼지량 및 수소 크로스-오버량 증가는 수소 이용률 저하 및 시스템 효율 저하의 주요 원인이 된다.
특히, 가압 운전 시스템의 경우 공기극 입구 운전압력의 상승으로 수소극 출구와 공기극 출구의 차압이 더욱 증가하고, 시스템 설계 변경(예를 들면, 분리판 설계 변경)으로 공기극 입구와 공기극 출구의 차압이 증가할 경우 수소극 출구와 공기극 출구의 차압은 더욱 증가한다.
도 2는 공기 질량 유량에 따른 종래의 운전압력 제어맵을 예시한 것으로, A kPa은 수소극 입구와 수소극 출구의 최소 운전압력을 나타낸다.
일반적으로 연료전지 시스템의 운전압력 제어시 연료전지 운전 조건에 따라 목표로 하는 공기 질량 유량이 결정되면, 제어기가 운전압력 제어맵으로부터 목표 유량에 해당하는 수소극 및 공기극 입, 출구 압력의 목표값을 결정하고, 수소압력센서(25,26)와 공기압력센서(35,36)의 측정값을 피드백 받아 수소극 및 공기극 입, 출구 압력을 상기 압력 목표값으로 제어하게 된다.
여기서, 연료전지 시스템의 운전압력은 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 공기극 입구 압력이 공기극 출구 압력보다 높은 압력이 되도록, 그리고 수소극 출구 압력이 상기 공기극 입구 압력보다 높은 압력이 되도록, 그리고 수소극 입구 압력이 상기 수소극 출구 압력보다 높은 압력이 되도록 맵에 설정되어 제어된다.
이때, 수소 운전압력 과다는 수소의 크로스-오버량을 증가시키고, 이는 수소 이용률 및 시스템 효율을 저하시킨다.
또한, 수소 퍼지시에 수소극 출구와 공기극 출구의 차압을 이용하여 수소극의 가스를 배출함에 있어서 차압이 과도하게 클 경우 퍼지밸브 1회 개방시의 배출량이 과다해진다.
이에 퍼지밸브 1회 개방시의 배출량을 줄이기 위해 퍼지밸브의 작동속도를 개선하는 것이 필요하지만, 이는 개발비용을 증가시키는 요인이 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 연료전지 스택의 수소측과 공기측 사이의 차압을 적절히 유지하여 수소 퍼지를 가능하게 하면서도 수소의 크로스-오버량을 최소화하고, 수소극 출구와 공기극 출구의 차압을 이용하는 수소 퍼지에 있어 퍼지밸브 1회 개방시의 수소 배출량을 줄임으로써, 수소 이용률과 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 운전시 연료전지 스택의 공기극 입, 출구 압력과 수소극 출구 압력을 제어함에 있어서 연료전지 스택의 수소극 출구 압력을 공기극 입구 압력보다는 낮고 공기극 출구 압력보다는 높게 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법을 제공한다.
여기서, 상기 연료전지 시스템은 공기압축기를 이용하여 산화제 가스인 공기를 연료전지 스택에 공급하는 가압형 연료전지 시스템인 것을 특징으로 한다.
또한, 연료전지 시스템의 운전시 수소극 입구 압력과 수소극 출구 압력의 최소 운전압력을 차량의 대기압 센서에 의해 검출된 대기압에 따라 정해지는 값으로 가변시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 최소 운전압력은 대기압이 낮을수록 낮은 값으로 정해지는 것을 특징으로 한다.
또한, 연료전지 운전 조건에 따라 목표로 하는 공기 질량 유량이 결정되면, 운전압력 제어맵으로부터 목표 유량에 해당하는 연료전지 스택의 공기극 입, 출구 압력과 수소극 출구 압력의 목표값을 결정하고, 결정된 압력 목표값에 따라 상기 연료전지 스택의 공기극 입, 출구 압력과 수소극 출구 압력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 연료전지 스택의 수소극 입, 출구 압력을 연료전지 운전 조건에 따른 압력 목표값이 되도록 제어하기 위해 수소극 입, 출구측에 설치된 수소압력센서의 측정값을 피드백 받아 수소극 입구측의 수소압력조절밸브를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 연료전지 스택의 공기극 입, 출구 압력을 연료전지 운전 조건에 따른 압력 목표값이 되도록 제어하기 위해 공기극 입, 출구측에 설치된 공기압력센서의 측정값을 피드백 받아 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기압축기와 공기극 출구측의 공기압력조절밸브를 제어하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법에 의하면, 연료전지 시스템의 운전시 연료전지 수소측과 공기측 운전압력을 제어함에 있어서 수소극 출구 압력을 공기극 입구 압력보다 낮고 공기극 출구 압력보다는 높게 제어함으로써, 수소 퍼지가 가능한 수준에서 수소측 운전압력과 공기측 운전압력 사이의 차압을 줄일 수 있고, 이러한 차압 감소로 수소의 크로스-오버량을 최소화하는 것이 가능해진다.
또한, 수소극 출구와 공기극 출구의 차압을 이용하는 수소 퍼지에 있어 퍼지밸브 1회 개방시의 수소 배출량을 줄일 수 있고, 이를 통해 퍼지밸브의 개방시간을 증가시킬 수 있는바, 결국 퍼지밸브의 제어가 용이해지고, 퍼지밸브의 작동속도를 개선하는데 필요한 개발비용을 절감할 수 있게 된다.
결과적으로 수소 이용률과 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있게 된다.
도 1은 가압형 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 공기 질량 유량에 따른 종래의 운전압력 제어맵을 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제어 방법에서 적용될 수 있는 공기 질량 유량에 따른 운전압력 제어맵을 예시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 연료전지 시스템의 운전압력을 제어하는 방법에 관한 것으로서, 연료전지 스택의 수소측과 공기측 사이의 차압을 적절히 유지하여 수소 퍼지가 가능하도록 하면서도 연료전지 스택 내 MEA를 통한 공기극으로의 수소 크로스-오버량이 최소화될 수 있도록 하여 수소 이용률과 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 제어 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 퍼지밸브에 의한 수소 퍼지가 가능한 범위 내에서 연료전지 스택의 수소측 운전압력과 공기측 운전압력의 차이를 줄여주어 수소의 크로스-오버량과 퍼지밸브 1회 개방시의 수소 배출량을 최소화하는 것에 주안점을 두고 있다.
도 3은 본 발명의 제어 방법에서 적용될 수 있는 공기 질량 유량에 따른 운전압력 제어맵을 예시한 도면이다.
먼저, 본 발명의 제어 방법은 운전압력 가변 제어가 가능한 가변압 시스템인 가압형 연료전지 시스템에 적용될 수 있는 것으로, 도 1은 가압형 연료전지 시스템의 구성을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 제어 방법을 설명함에 있어서 시스템의 구성에 대해서는 도 1을 참조하기로 한다.
일반적으로 가압형 연료전지 시스템에서는 공기블로워를 이용하는 상압형과 달리 상압보다 높은 압력의 공기를 공급할 수 있도록 공기압축기(32)가 이용되며, 연료전지 스택(10)의 공기극 출구측 배관에 공기압력조절밸브(34)가 설치된다.
이때, 공기압력조절밸브(34)는 공기극 출구측 배관에서도 가습기(33) 후단 위치의 배관에 설치될 수 있다.
따라서, 연료전지 스택(10)의 공기극 출구를 통해 배출되는 습윤 공기는 가습기(33)를 거치는 동안 공기압축기(32)에 의해 공급되는 건조 공기와의 수분 교환을 마친 뒤 공기압력조절밸브(34)를 거쳐서 대기로 방출된다.
또한, 퍼지밸브(27)가 설치된 연료전지 스택(10)의 수소극 출구측 배관이 공기극 출구측 배관으로 연결되므로, 연료전지 스택(10)의 수소극에서 배출되는 배기가스, 즉 질소, 물 등의 이물질을 함유한 수소가 퍼지 작동시 퍼지밸브(27)를 통해 공기극 출구측 배관으로 이동하여 공기극 출구를 통해 배출되는 습윤 공기와 희석된다.
이때, 수소 퍼지는 퍼지밸브의 개방시 수소극 출구와 공기극 출구의 차압에 의해 이루어지게 된다.
또한, 본 발명에서는 연료전지 시스템의 운전압력이 도 3에서 나타낸 바와 같이 연료전지 스택(10)의 수소극 출구 압력이 공기극 입구 압력보다 낮고 공기극 출구 압력보다는 높은 압력이 되도록 운전제어 맵에 설정되어 제어된다.
이와 같이 수소극 출구 압력을 공기극 입구 압력에 비해 낮게 제어함으로써 수소측 운전압력을 감소시킬 수 있고, 이에 연료전지 스택 내 MEA 전체 반응면적에서 수소측 운전압력 감소에 따른 공기극측과의 차압 감소로 수소극에서 공기극으로 크로스-오버되는 수소의 양을 최소화할 수 있게 된다.
또한, 전술한 바와 같이 수소극 출구와 공기극 출구의 차압으로 수소 퍼지가 이루어지므로 수소극 출구와 공기극 출구의 차압은 퍼지밸브 개방시 수소 퍼지가 가능한 범위 이내가 되어야 한다.
따라서, 도 3과 같은 운전압력 제어맵에서 수소극 출구 압력은 공기극 입구 압력보다 낮게 설정되지만 공기극 출구 압력과의 차이가 수소 퍼지 작동이 가능한 범위 이내가 되도록 설정된다.
이와 같이 수소 퍼지가 가능한 범위 내에서 수소극 출구 압력을 낮추어 수소극 출구 압력과 공기극 출구 압력 사이의 차압을 줄일 경우 퍼지밸브 1회 개방시의 수소 배출량이 최소될 수 있다.
결국, 퍼지밸브(27)에 의한 수소 퍼지가 가능한 범위 내에서 연료전지 스택(10)의 수소측 압력과 공기측 압력 사이의 차압을 줄여줌으로써 수소의 크로스-오버량과 퍼지밸브 1회 개방시의 수소 배출량을 최소화하고자 하는 본 발명의 목적을 달성할 수 있게 된다.
또한, 퍼지밸브 1회 개방시의 수소 배출량을 줄일 수 있으므로 퍼지밸브의 개방시간을 증가시킬 수 있는바, 이에 퍼지밸브의 제어가 용이해지는 유리한 측면이 있고, 퍼지밸브의 작동속도를 개선하는데 필요한 개발비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
한편, 연료전지 시스템의 운전압력을 제어함에 있어서, 수소극 입구 압력은 수소압력조절밸브(21)에 의해 조절될 수 있으며, 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소가 레귤레이터에서 일정 압력으로 감압된 뒤 수소압력조절밸브에 의한 압력 조절을 통해 공급량이 제어된 상태로 연료전지 스택에 공급된다.
이때, 제어기(미도시)가 수소압력조절밸브(21)를 제어하여 수소극 입, 출구 압력을 조절하게 되는데, 상기 제어기는 연료전지 운전 조건에 따라 목표로 하는 공기 질량 유량이 결정되면, 목표 유량에 해당하는 운전압력 제어맵 상의 압력값(맵 상의 수소극 입구 압력값)을 목표값으로 하여 수소압력센서(25,26)의 측정값을 피드백 받아 수소압력조절밸브(21)를 제어함으로써 수소극 입, 출구 압력을 조절하게 된다.
상기 수소압력조절밸브(21)에 의해 수소극 입구 압력이 조절될 때 조절된 수소극 입구 압력에 따라 수소극 출구 압력이 조절되는데, 이때 조절되는 수소극 출구 압력이 수소극 입구 압력과는 수소극 입구 압력 상태 및 스택의 분리판 설계 사양에 따른 차압을 나타내게 된다.
이와 같이 수소극 입구 압력과 수소극 출구 압력의 차압은 스택의 분리판 설계 사양에 따라 달라질 수 있고, 더불어 수소극 입구 압력에 따라서도 달라질 수 있는데, 도 3에 나타낸 바와 같이 수소극 입구 압력이 클수록 더 큰 차압을 나타낸다.
요컨대, 수소극 입구 압력이 조절되는 것과 더불어 수소극 입구 압력에 따라 달라지는 수소극 출구 압력 또한 수소압력조절밸브(21)를 통해 조절될 수 있다.
또한, 공기극 입구 압력과 공기극 출구 압력은 공기압축기(32)의 회전속도와 공기압력조절밸브(34)의 개도량을 제어함으로써 조절될 수 있다.
즉, 제어기가 운전압력 제어맵의 압력값(맵 상의 공기 질량 유량에 따른 공기극 입, 출구 압력)을 목표값으로 하여 공기압축기(32)와 공기압력조절밸브(34)의 구동을 제어하여 공기극 입구 압력과 공기극 출구 압력을 제어하게 되며, 공기극 입구 압력 및 공기극 출구 압력이 제어됨에 의해 공기 질량 유량이 제어된다.
이때, 제어기는 연료전지 운전 조건에 따라 목표로 하는 공기 질량 유량이 결정되면, 운전압력 제어맵을 이용하여 목표 유량에 해당하는 압력 목표값을 결정한 뒤, 스택(10)의 공기극 입, 출구측에 설치된 공기압력센서(35,36)의 측정값을 피드백 받아 공기극 입구 압력과 공기극 출구 압력을 압력 목표값이 되도록 제어하게 된다.
한편, 도 3의 운전압력 제어맵에서 공기극 입구 압력이 수소극 입구 압력보다 높게 설정되어 있으나, 연료전지 운전 조건에 따라 공기극 입구 압력이 수소극 입구 압력보다 낮은 영역이 존재할 수도 있다.
도 3에서와 같이 수소극 출구 압력을 공기극 입구 압력에 비해 낮게 하고, 공기극 입구 압력을 수소극 입구 압력보다 높게 제어할 경우, MEA 전체 반응면적에서 공기극의 질소가 수소극으로 크로스-오버될 수 있는 조건, 즉 공기 운전압력이 수소 운전압력보다 높은 구간이 존재하지만, 수소의 크로스-오버량(수소극에서 공기극으로 크로스-오버됨) 대비 질소의 크로스-오버량(공기극에서 수소극으로 크로스-오버됨)이 절대적으로 적으므로, 본 발명에서와 같이 공기의 운전압력을 수소의 운전압력보다 높게 하여 수소의 크로스-오버량을 줄이는 것이 유리하다.
또한, 도 3의 운전압력 제어맵이 공기 질량 유량에 따른 목표 운전압력으로서 공기극 입, 출구 압력과 수소극 입, 출구 압력이 설정됨을 나타내고 있으나, 가변압 시스템인 가압형 연료전지 시스템에 적용할 경우 연료전지 스택의 운전 온도나 연료전지 스택의 상태(wet-dry 상태) 등에 따라 목표 운전압력이 가변 제어될 수 있으며, 이 경우 운전압력 제어맵은 공기 질량 유량과 함께 운전 온도 등이 제어 변수로 추가 적용되어 3차원 맵 형태가 될 수 있다.
이와 같이 공기 질량 유량에 더하여 추가적인 연료전지 운전 조건을 제어변수로 하는 운전압력 제어값을 설정하여 맵핑한 뒤, 작성된 운전압력 제어맵을 연료전지 시스템 제어기에 적용하면, 상시 운전 구간에서 수소 이용률 및 시스템 효율을 높이는 연료전지 시스템의 운전 제어가 가능해진다.
또한, 도 3에서 B kPa은 수소극 입구 압력과 수소극 출구 압력의 최소 운전압력을 나타내며, 본 발명에서의 최소 운전압력 B kPa은 종래의 최소 운전압력인 A kPa보다 낮게 설정된다(B<A)
바람직한 실시예에서, 상기 최소 운전압력은 차량에 장착된 대기압 센서의 신호값, 즉 대기압 센서에 의해 검출되는 대기압에 따라 가변될 수 있는데, 대기압 센서에 의해 검출된 대기압이 낮을수록 낮은 최소 운전압력이 적용되도록 할 수 있다.
이를 위해, 대기압에 따라 최소 운전압력을 달리한 복수의 운전압력 제어맵이 제어기에 저장될 수 있고, 연료전지 시스템의 운전시 상기 대기압 센서에 의해 검출된 대기압이 속하는 대기압 범위의 운전압력 제어맵이 선택되어 이용되도록 한다.
또한, 본 발명의 제어 방법을 가압형 연료전지 시스템, 즉 가변압 시스템에 적용하였을 때 가변압 시스템의 특성상 연료전지 평균 운전압력이 상승하는 이점을 그대로 가지게 된다.
그러면서도 수소극 출구 압력을 공기극 입구 압력보다 낮게 제어하는 본 발명의 제어 방법을 적용함에 있어서, 가변압 운전으로 인한 절대 운전압력 상승 및 스택 분리판 설계 변경으로 인한 공기극 입구 압력과 공기극 출구 압력의 차압 증가가 수소 이용률을 개선하는데 유리함을 제공하게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료전지 스택 20 : 수소공급장치
21 : 수소압력조절밸브 22 : 수소재순환장치
23 : 이젝터 24 : 재순환 배관
25, 26 : 수소압력센서 27 : 퍼지밸브
30 : 공기공급장치 31 : 필터
32 : 공기압축기 33 : 가습기
34 : 공기압력조절밸브 35 : 공기압력센서
36 : 공기압력센서 40 : 열 및 물 관리 시스템

Claims (7)

  1. 연료전지 시스템의 운전시 연료전지 스택의 공기극 입, 출구 압력과 수소극 출구 압력을 제어함에 있어서 연료전지 스택의 수소극 출구 압력을 공기극 입구 압력보다 낮고 공기극 출구 압력보다는 높게 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 공기압축기를 이용하여 산화제 가스인 공기를 연료전지 스택에 공급하는 가압형 연료전지 시스템인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 시스템의 운전시 수소극 입구 압력과 수소극 출구 압력의 최소 운전압력을 차량의 대기압 센서에 의해 검출된 대기압에 따라 정해지는 값으로 가변시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 최소 운전압력은 대기압이 낮을수록 낮은 값으로 정해지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 운전 조건에 따라 목표로 하는 공기 질량 유량이 결정되면, 운전압력 제어맵으로부터 목표 유량에 해당하는 연료전지 스택의 공기극 입, 출구 압력과 수소극 출구 압력의 목표값을 결정하고, 결정된 압력 목표값에 따라 상기 연료전지 스택의 공기극 입, 출구 압력과 수소극 출구 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 스택의 수소극 입, 출구 압력을 연료전지 운전 조건에 따른 압력 목표값이 되도록 제어하기 위해 수소극 입, 출구측에 설치된 수소압력센서의 측정값을 피드백 받아 수소극 입구측의 수소압력조절밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 스택의 공기극 입, 출구 압력을 연료전지 운전 조건에 따른 압력 목표값이 되도록 제어하기 위해 공기극 입, 출구측에 설치된 공기압력센서의 측정값을 피드백 받아 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기압축기와 공기극 출구측의 공기압력조절밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법.
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