KR100893431B1 - 저온시동 개선용 연료전지장치 및 그 제어방법 - Google Patents

저온시동 개선용 연료전지장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온시동 개선용 연료전지장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 자체발열 방식으로 이루어진 연료전지차량용 연료전지시스템의 저온시동시, 연료전지스택의 공기극의 산화 및 저온시동성 개선을 도모하고, 전력 손실을 줄여 보조 배터리의 잔류 용량을 낮출 수 있는 저온시동 개선용 연료전지장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 연료전지스택으로부터 발생된 전원을 인가받아 스택 전류를 설정값까지 상승시키는 구동저항 및 저항 릴레이를 포함하여 적용 차량의 저온 시동성이 향상될 수 있도록 개선한 저온시동 개선용 연료전지장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료전지장치, 저온시동, 저항체, 저항체 릴레이

Description

저온시동 개선용 연료전지장치 및 그 제어방법{Fuel cell apparatus having improved starting performance in low temperature and method for controlling the same}
본 발명은 저온시동 개선용 연료전지장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자체발열 방식으로 이루어진 연료전지차량용 연료전지시스템의 저온시동시, 연료전지스택의 공기극의 산화 및 저온시동성 개선을 도모하고, 전력 손실을 줄여 보조 배터리의 잔류 용량을 낮출 수 있는 저온시동 개선용 연료전지장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 바꾸는 장치이며, 자동차나 레이저 전기기구 등의 동력원으로 관심있게 연구되는 무공해 발전장치이다.
특히, 고분자 전해질형 연료전지는 100℃ 이하의 낮은 온도에서 작동 가능하고 빠른 응답성 및 고출력 밀도를 가지는 바, 자동차용으로 적합한 전기화학적인 동력원으로 알려져 있다.
이러한 고분자 전해질형 연료전지에서는 전기를 생산하는 단위전지가 적층된 연료전지스택이 애노드로 연료기체인 수소를 공급받고 캐소드로 산화제인 산소를 공급받아 전기를 생산하게 된다.
즉, 고분자 전해질형 연료전지에서 수소와 산소는 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키는데, 공급된 수소가 애노드 전극의 촉매에서 수소이온과 전자로 분리되고, 이때 생성된 수소이온이 양이온 교환막을 통해 캐소드로 이동하여 공급된 산소와 전자를 받아 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 된다.
그 반응식은 다음과 같다.
- 애노드(anode) : H2 →2H+ + 2e
- 캐소드(cathode) : 1/2 O2 + 2H+ + 2e →H2O
- 종합 : H2 + 1/2 O2 →H2O
상기 반응의 이론 전압은 1.2V로 보통 0.6V 이상에서 작동되며, 자동차용 동력원으로 사용되기 위해서는 수십 kW의 출력과 자동차용 모터를 구동하기 위한 수백 V의 전압을 필요로 하는 바, 이를 위하여 연료전지스택(fuel cell stack)은 전기를 생산하는 각 단위전지가 적층된 구조로 되어 있다.
상기 각 단위전지는 전기전도성 및 내부식성이 우수한 흑연을 소재로 하여 제조되어 수소와 공기를 분리하여 공급할 수 있도록 된 유로 구조를 가지는 분리판 과, 이 분리판의 공기 유로와 수소 유로 사이에 위치되는 전극막과, 이 전극막과 분리판의 유로 사이에 존재하여 가스확산 및 전기접촉을 용이하게 해주는 가스확산층 등으로 구성된다.
또한, 연료전지의 반응시 공기극에서는 생성수와 함께 열이 발생하므로 적절한 냉각이 필요하며, 일반적으로 분리판 내부에 냉각수 유로를 형성하여 냉각을 수행한다.
또한, 연료전지에서 전해질로 사용되는 고분자막은 적절한 수분을 함유해야 이온전도성을 가지므로 연료전지로 공급되는 수소와 공기는 적절하게 가습되어야 한다.
한편, 상기한 연료전지를 동력원으로 사용하기 위해서는 연료전지스택과 그 주변장치로 구성되는 연료전지장치가 필요하다.
여기서, 주변장치는 수소 저장계, 수소 공급계 및 수소 재순환계, 공기 공급계, 냉각계, 물 관리계 및 연료전지 제어부 등으로 구성되는 종래의 연료전지장치에서는 다음과 같은 문제점들이 있었다.
연료전지스택의 냉각, 공기 및 수소의 적절한 가습을 위해서는 전술한 바와 같이 순수한 물(증류수)이 필요하며, 이러한 물을 공급하기 위해서는 물을 보관할 수 있는 물 탱크(이하 냉각수 탱크라 칭함) 및 공급 시스템(냉각수 펌프)이 필요하다.
이와 같이 물을 연료전지의 냉각수 및 가습수로 사용함에 있어서, 대기의 온도가 영하 이하의 온도로 내려갈 경우에는 냉각수 탱크 안의 물이 얼게 되므로 시 동이 불가능해진다.
이와 같은 연료전지 차량의 저온시동성 문제는 아직 해결되지 않고 있는 문제이며, 연료전지 차량이 실용화 되기 위해서는 반드시 해결되어야 할 문제이기도 하다.
예를 들어, 연료전지 차량용 연료전지장치의 저온 시동시, 수소퍼징밸브에 대한 해동 시간 동안 수소공급밸브가 동작하여 연료전지스택에 수소가 공급된다.
그러나, 상기 수소퍼징밸브가 해동되지 않아 개방되지 않게 되어 스택의 수소극에 공기와 수소가 동시에 존재하게 된다.
이는 공기극의 산화를 유발시키게 되며, 수소공급밸브의 불필요한 동작으로 전력 손실이 발생하게 된다.
또한, 연료전지장치 저온시동 초기에 연료전지스택의 냉각수 펌프 동작에 의한 저온의 냉각수가 스택으로 유입될 경우, 상기 연료전지스택의 양극에서 생성된 물이 결빙하게 되어 저온 시동이 되지 않는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 자체발열 방식으로 이루어진 연료전지차량용 연료전지시스템의 저온시동시, 연료전지스택의 공기극의 산화 및 저온시동성 개선을 도모하고, 전력 손실을 줄여 보조 배터리의 잔류 용량을 낮출 수 있는 저온시동 개선용 연료전지장치 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 공기 블로워(100)를 통해 공급되는 공기 내 습기를 제거하기 위해 가열하는 가습기(200)와, 공기와 함께 수소와 냉각수를 공급받아 공기와 수소의 화학반응에 의해 생성된 전기를 모터로 공급하는 연료전지스택(300)과, 상기 연료전지스택(300)에 수소를 공급하는 수소탱크(400) 및 공급량을 조절하는 수소공급밸브(500)와, 상기 연료전지스택(300) 내에 잔존하는 질소와 물을 대기로 배출시킬 수 있도록 제어하는 수소퍼징밸브(600)와, 냉각계로서 연료전지스택(300)에 냉각수를 공급하는 냉각수 펌프(700)와, 상기 수소공급밸브(500) 및 수소퍼징밸브(600)와 공기 블로워(100), 냉각수 펌프(700)를 통합 제어하는 연료전지 제어기(800)를 포함하여 구성된 연료전지장치에 있어서,
연료전지 차량의 저온시동시 사용되며 연료전지스택(300)으로부터 발생된 전원을 인가받아 스택 전류를 설정값까지 상승시켜 연료전지스택(300)의 공기극에서 의 수분 결빙을 방지하도록 회로 장착된 저항체(10) 및 저항체 릴레이(11)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 저온시동 개선용 연료전지장치의 제어방법은, 시동 초기에 연료전지스택(300)의 수소퍼징밸브(600)의 냉각수가 결빙된 상태인지 판단하는 제1단계와;
냉각수가 결빙 상태로 판단될 경우, 해동히터(601)를 작동시켜 상기 수소퍼징밸브(600)를 해동시키는 제2단계와;
상기 수소퍼징밸브(600)가 일정 시간(t1) 동안 해동시킨 후, 낮은 충전 상태의 보조 배터리에 의해 시동이 걸릴 수 있도록 저항체 릴레이(11)를 오픈하고 수소공급밸브(500)를 열어 수소를 연료전지스택(300)에 공급하는 단계 및 동시에 일정한 시간(t3) 동안 일정한 시간(t2) 간격으로 수소퍼징밸브(600)를 오픈시켜 수소 퍼징을 실시하는 제3단계와;
상기 냉각수가 상온까지 상승하여 수소퍼징밸브(600)의 해동이 완료된 것으로 판단되면, 공기 공급기를 작동시켜 연료전지스택(300) 내로 공기를 공급하는 제4단계와;
상기 저항체 릴레이(11)를 클로즈하여 스택 전류를 발생시키는 제5단계와;
저항체(10) 내의 스택 냉각수의 온도를 감지하여 허용 가능한 온도가 되기 전까지 딜레이 시킨 후, 일정 온도(T1)를 초과하게 될 경우, 냉각수 펌프(700)를 일정한 RPM(r1)으로 구동하는 제6단계와;
상기 연료전지스택(300) 출구에서의 공기 온도가 일정 온도(T3)를 초과하게 될 경우, 연료전지스택(300) 공기극의 생성수 결빙 문제가 해결된 것으로 판단하여 저항체 릴레이(11)를 오픈하는 제7단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 저온시동 개선용 연료전지장치 및 그 제어방법에 의하면, 연료전지스택의 공기극의 산화 및 저온시동성 개선을 도모하고, 전력 손실을 줄여 보조 배터리의 잔류 용량을 낮출 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 저온시동 개선용 연료전지장치를 나타내는 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 저온시동 개선용 연료전지장치의 제어방법을 나타내는 플로우챠트이다.
본 발명에 따른 연료전지장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 공기 블로워(100)를 통해 공급되는 공기 내 습기를 제거하기 위해 가열하는 가습기(200)와, 공기와 함께 수소와 냉각수를 공급받아 공기와 수소의 화학반응에 의해 생성된 전기를 모터로 공급하는 연료전지스택(300)과, 상기 연료전지스택(300)에 수소를 공 급하는 수소탱크(400) 및 공급량을 조절하는 수소공급밸브(500)와, 상기 연료전지스택(300) 내에 잔존하는 질소와 물을 대기로 배출시킬 수 있도록 제어하는 수소퍼징밸브(600)와, 냉각계로서 연료전지스택(300)에 냉각수를 공급하는 냉각수 펌프(700)를 포함하여 구성되는 바, 연료전지 차량의 저온시동시 사용되며 연료전지스택(300)으로부터 발생된 전원을 인가받아 스택 전류를 설정값까지 상승시켜 연료전지스택(300)의 공기극에서의 수분 결빙을 방지하도록 회로 장착된 저항체(10) 및 저항체 릴레이(11)가 포함되어 적용 차량의 저온 시동성이 향상될 수 있도록 한다.
이때, 상기 수소공급밸브(500) 및 수소퍼징밸브(600)와 공기 블로워(100), 냉각수 펌프(700), 그리고 저항체 릴레이(11)를 통합 제어하는 연료전지 제어기(800)가 구비되어 있다.
이와 같이 구성된 연료전지장치에 있어서, 상기 시동 초기에 연료전지스택(300)의 수소퍼징밸브(600)의 냉각수가 결빙된 상태인지 온도센서를 통해 감지하게 되며, 만일 냉각수가 결빙 상태로 판단될 경우, 연료전지스택(300) 내에 잔존하는 질소와 물을 대기로 배출시켜 수소 100% 환경을 만들어줄 수 있도록 수소 퍼징을 실시하는 수소퍼징밸브(600)를 해동시키는 바, 이를 해동시키는 열원으로서 연료전지스택(300)에서 발생된 전원에 의해 작동되는 해동히터(601)가 구비되어 있다.
상기 해동히터(601)는 전원 인가시 발열하여 결빙된 스택 발생 수증기를 녹일 수 있도록 열선을 포함하는 것으로 실시 가능하며, 작동은 상기 연료전지 제어기(800)로부터 출력되는 제어신호에 따라 온 또는 오프 동작되면서 개시되거나 중 단된다.
즉, 연료전지의 성능 및 수명을 확보하기 위해서는 시동키 온 후의 수소퍼징밸브(600)의 온도를 빠른 시간 내에 상승시켜야 하므로 이를 위한 열원으로 해동히터(601)가 사용되는 것이다.
이와 같이, 상기 수소퍼징밸브(600)의 해동시간을 예측하여 수소 퍼징이 가능한 시점전까지 수소공급밸브(500)를 미작동시켜 수소극에 공기 및 수소의 동시 존재로 인한 공기극의 산화를 방지할 수 있게 된다.
이후, 상기 수소퍼징밸브(600)가 일정 시간(t1) 동안 해동 후, 낮은 충전 상태의 보조 배터리에 의해 시동이 걸릴 수 있도록 저항체 릴레이(11)를 오픈하고 수소공급밸브(500)를 열어 수소를 연료전지스택(300)에 공급하게 되며, 일정한 시간(t3) 동안 일정한 시간(t2) 간격으로 수소퍼징밸브(600)를 오픈시켜 상술한 바와 같은 수소 퍼징을 실시하게 된다.
상기 수소퍼징밸브(600)가 오픈되어 수소 퍼징이 실시되는 동안, 상기 수소공급밸브(500)를 통해 일정한 유량(L1)의 수소가 공급될 경우, 공기 공급기를 작동시켜 연료전지스택(300) 내로 공기를 공급하게 된다.
이는 상기 수소퍼징밸브(600)의 해동이 완료됨을 나타내는 것이다.
상기 연료전지스택(300)의 공기공급유량이 일정 유량(L2) 공급되는 동시에 연료전지스택(300)의 초기 전압(V1)이 발생할 경우, 일정한 시간(t4)이 경과하도록 한 후, 수소퍼징밸브(600)의 오픈작동 주기를 변경(t2 →t3')시키되, 지연 작동주기로 변경시키게 된다.
이는 수소 과다 배출을 방지하고, 연비 절약 차원에서 실시하게 된다.
이후, 상기 저항체 릴레이(11)를 클로즈하여 스택 전류를 발생시키게 되며, 저항체(10) 내의 스택 냉각수의 온도를 감지하여 허용 가능한 온도가 되기 전까지 딜레이 시킨 후, 일정 온도(T1)를 초과하게 될 경우, 냉각수 펌프(700)를 일정한 RPM(r1)으로 구동하게 되며, 상기 연료전지스택(300) 출구에서의 공기 온도 변화에 따라 상기 냉각수 펌프(700)의 RPM(r1→r2)을 조절하게 된다.
최종적으로, 상기 연료전지스택(300) 출구에서의 공기 온도가 일정 온도(T3)를 초과하게 될 경우, 연료전지스택(300) 공기극의 생성수 결빙 문제가 해결된 것으로 판단하여 저항체 릴레이(11)를 오픈하여 연료전지 시스템에서 결빙된 상태의 냉각수를 빠른 시간 내에 해빙시켜 줌으로써, 연료전지 차량의 저온 시동성이 향상될 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 저온시동 개선용 연료전지장치를 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 저온시동 개선용 연료전지장치의 제어방법을 나타내는 플로우챠트이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 저항체 11 : 저항체 릴레이

Claims (5)

  1. 공기 블로워(100)를 통해 공급되는 공기 내 습기를 제거하기 위해 가열하는 가습기(200)와, 공기와 함께 수소와 냉각수를 공급받아 공기와 수소의 화학반응에 의해 생성된 전기를 모터로 공급하는 연료전지스택(300)과, 상기 연료전지스택(300)에 수소를 공급하는 수소탱크(400) 및 공급량을 조절하는 수소공급밸브(500)와, 상기 연료전지스택(300) 내에 잔존하는 질소와 물을 대기로 배출시킬 수 있도록 제어하는 수소퍼징밸브(600)와, 냉각계로서 연료전지스택(300)에 냉각수를 공급하는 냉각수 펌프(700)와, 상기 수소공급밸브(500) 및 수소퍼징밸브(600)와 공기 블로워(100), 냉각수 펌프(700)를 통합 제어하는 연료전지 제어기(800)를 포함하여 구성된 연료전지장치에 있어서,
    연료전지 차량의 저온시동시 사용되며 연료전지스택(300)으로부터 발생된 전원을 인가받아 스택 전류를 설정값까지 상승시켜 연료전지스택(300)의 공기극에서의 수분 결빙을 방지하도록 회로 장착된 저항체(10) 및 저항체 릴레이(11)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 저온시동 개선용 연료전지장치.
  2. 시동 초기에 연료전지스택(300)의 수소퍼징밸브(600)의 냉각수가 결빙된 상태인지 판단하는 제1단계와;
    냉각수가 결빙 상태로 판단될 경우, 해동히터(601)를 작동시켜 상기 수소퍼 징밸브(600)를 해동시키는 제2단계와;
    상기 수소퍼징밸브(600)가 일정 시간(t1) 동안 해동시킨 후, 낮은 충전 상태의 보조 배터리에 의해 시동이 걸릴 수 있도록 저항체 릴레이(11)를 오픈하고 수소공급밸브(500)를 열어 수소를 연료전지스택(300)에 공급하는 단계 및 동시에 일정한 시간(t3) 동안 일정한 시간(t2) 간격으로 수소퍼징밸브(600)를 오픈시켜 수소 퍼징을 실시하는 제3단계와;
    상기 냉각수가 상온까지 상승하여 수소퍼징밸브(600)의 해동이 완료된 것으로 판단되면, 공기 공급기를 작동시켜 연료전지스택(300) 내로 공기를 공급하는 제4단계와;
    상기 저항체 릴레이(11)를 클로즈하여 스택 전류를 발생시키는 제5단계와;
    저항체(10) 내의 스택 냉각수의 온도를 감지하여 허용 가능한 온도가 되기 전까지 딜레이 시킨 후, 일정 온도(T1)를 초과하게 될 경우, 냉각수 펌프(700)를 일정한 RPM(r1)으로 구동하는 제6단계와;
    상기 연료전지스택(300) 출구에서의 공기 온도가 일정 온도(T3)를 초과하게 될 경우, 연료전지스택(300) 공기극의 생성수 결빙 문제가 해결된 것으로 판단하여 저항체 릴레이(11)를 오픈하는 제7단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온시동 개선용 연료전지장치의 제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 해동히터(601)는 연료전지 제어기(800)로부터 출력되는 제어신호에 따라 온 또는 오프 제어되는 것을 특징으로 하는 저온시동 개선용 연료전지장치의 제어방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제4단계에서, 상기 연료전지스택(300)의 공기공급유량이 일정 유량(L2) 공급되는 동시에 연료전지스택(300)의 초기 전압(V1)이 발생할 경우, 일정한 시간(t4)이 경과하도록 한 후, 수소퍼징밸브(600)의 오픈작동 주기를 변경(t2 →t3')시키되, 지연 작동주기로 변경시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온시동 개선용 연료전지장치의 제어방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제6단계에서, 상기 연료전지스택(300) 출구에서의 공기 온도 변화에 따라 상기 냉각수 펌프(700)의 RPM(r1→r2)을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온시동 개선용 연료전지장치의 제어방법.
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