KR100986500B1 - 멀티 스택 구조의 연료전지 하이브리드 시스템 - Google Patents

멀티 스택 구조의 연료전지 하이브리드 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 멀티 스택 구조의 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것으로서, 회생제동시 연료전지 전압을 축전수단(슈퍼캡) 전압보다 낮게 유지하여 연료전지가 축전수단을 불필요하게 충전시키는 것을 막을 수 있고, 이를 통해 에너지 회수량 증대 및 연비 향상의 효과를 얻을 수 있는 연료전지 하이브리드 시스템을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 연료전지가 복수의 스택을 직렬로 연결한 멀티 스택 구조로 구성되고, 상기 복수의 스택 중 선택된 스택의 전단측 공기공급배관에 공기블로워에 의해 해당 스택으로 공급되는 공기를 차단하는 공기공급차단수단이 구비되며, 제어기가 상기 공기공급차단수단 및 공기블로워의 구동을 제어하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티 스택 구조의 연료전지 하이브리드 시스템이 개시된다.
연료전지, 슈퍼캡, 축전수단, 하이브리드, 멀티 스택, 공기블로워, 밸브

Description

멀티 스택 구조의 연료전지 하이브리드 시스템{Fuel cell hybrid system using multi-stack structure}
본 발명은 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회생제동시 연료전지 전압을 축전수단(슈퍼캡) 전압보다 낮게 유지하여 연료전지가 축전수단을 불필요하게 충전시키는 것을 막을 수 있고, 이를 통해 에너지 회수량 증대 및 연비 향상의 효과를 얻을 수 있는 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
한편, 연료전지 하이브리드 차량은 소형 차량은 물론 버스 등의 대형 차량에서 주동력원인 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 파워를 제공하기 위한 별도 동력원으로 축전수단인 고전압 배터리 또는 슈퍼캐패시터(슈퍼캡)를 탑재한 시스템이다.
현재 전력 변환기를 사용하지 않는 연료전지-슈퍼캡 직결형 하이브리드 차량이 연구되고 있는데, 연료전지-슈퍼캡 직결형 하이브리드 차량은 연비 우수(회생제동 大, 슈퍼캡 자체 효율 高, 전력변환기 無), 연료전지 내구 증대, 제어신뢰성 우수(자동 파워어시스트, 자동 회생제동 기능) 등의 장점을 가진다.
상기와 같이 연료전지와 슈퍼캡이 직결된 하이브리드 차량은 연료전지에서 일정한 전력을 계속 출력하여 주행이 이루어지되, 전력이 남는 경우 잉여분의 전력으로 슈퍼캡을 충전하고, 전력이 모자라는 경우 부족분의 전력을 슈퍼캡에서 보충 출력하는 운전 모드가 적용되고 있다.
주동력원인 연료전지와 보조동력원인 슈퍼캡을 구비한 하이브리드 차량의 주행모드는 크게 연료전지만을 동력원으로 하여 모터를 구동시키는 연료전지 주행모드(EV Mode)와, 연료전지 및 슈퍼캡을 동력원으로 하여 모터를 구동시키는 하이브리드 모드(HEV Mode)와, 슈퍼캡에 대한 충전이 이루어지는 회생제동 모드로 구분된다.
그러나, 상기와 같은 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 회생제동시에는 다음과 같은 문제점이 있었다.
첨부한 도 1은 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시스템의 구성을 도시한 개략도 로서, 도시된 바와 같이, 주동력원인 연료전지(10)는 보조동력원인 슈퍼캡(20)과 병렬로 연결되어 모터(32)에 전기에너지를 공급하며, 회생제동에 의해 생성된 전기에너지는 인버터(31)를 통해 공급되어 슈퍼캡(20)에 저장된다. 이때, 블록킹 다이오드(연료전지로 역전류가 흐르지 않도록 함)(50)에 의해 회생제동 에너지가 연료전지로는 가지 않고 슈퍼캡(20)으로 전량 회수되는 구조로 되어 있다.
이러한 구조의 연료전지-슈퍼캡 직결형 하이브리드 차량에서는 연료전지에 의해 슈퍼캡이 자동 충전되는 문제가 있어 회생제동에 제약이 있다. 차량의 제동시에는 구동모터에서 생성된 많은 회생제동 에너지가 슈퍼캡에 제공되어 저장되는데, 연료전지 또한 부하가 없어지므로 전압이 상승하게 되고, 이러한 연료전지의 전압 상승은 슈퍼캡에 에너지를 채워주는 요인이 된다.
슈퍼캡은 기본적으로 저장되어 있는 전기에너지의 양이 적을수록 구동모터에 의해 제공되는 더 많은 회생제동 에너지를 충전하여 저장할 수 있으며, 따라서 슈퍼캡이 보다 많은 회생제동 에너지를 저장하기 위해서는 회생제동시만큼은 연료전지에 의해 충전되는 전기에너지의 양을 줄여주어야 하고, 그래야만 차량의 연비 저하를 막을 수 있게 된다.
연료전지가 슈퍼캡에 에너지를 공급해주는 만큼 연료전지의 전기에너지가 슈퍼캡에 충전될 경우 슈퍼캡은 그만큼의 회생제동 에너지를 저장하지 못하기 때문에 연비가 떨어지는 주된 요인이 되는 것이다.
또한 감속에 의한 차량의 운동에너지를 전기에너지 형태로 충분히 회수하지 못함으로 인해 남은 에너지가 브레이크 패드에서 마찰열로 소모하게 되고, 이로 인 해 결국 브레이크 계통의 단품 수명이 감소하는 문제가 있게 된다.
상기와 같이 회생제동시에 연료전지가 슈퍼캡에 전기에너지를 충전시켜서는 안되며, 이때의 연료전지의 전압은 슈퍼캡의 전압보다 낮아야 한다. 차량 제동시에는 연료전지에서 뽑아가는 전기에너지가 없으므로 연료전지의 전압은 점차 상승하여 OCV(Open Circuit Voltage) 레벨로 회복되려 하나, 슈퍼캡의 전압이 낮은 상태에서 슈퍼캡의 전압이 상승하기까지는 슈퍼캡에 에너지를 공급한다. 그러나, 연료전지의 전압이 슈퍼캡의 전압보다 높을 경우 슈퍼캡에 과다한 에너지(회생제동 에너지 + 연료전지 에너지)가 공급되어 더 이상의 회생제동 에너지가 슈퍼캡에 공급 및 저장될 수 없게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 회생제동시 연료전지 전압을 축전수단(슈퍼캡) 전압보다 낮게 유지하여 연료전지가 축전수단을 불필요하게 충전시키는 것을 막을 수 있고, 이를 통해 에너지 회수량 증대 및 연비 향상의 효과를 얻을 수 있는 연료전지 하이브리드 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 축전수단을 구비한 연료전지 하이브리드 시스템에 있어서,
상기 연료전지가 복수의 스택을 직렬로 연결한 멀티 스택 구조로 구성되고, 상기 복수의 스택 중 선택된 스택의 전단측 공기공급배관에 공기블로워에 의해 해당 스택으로 공급되는 공기를 차단하는 공기공급차단수단이 구비되며, 제어기가 상기 공기공급차단수단 및 공기블로워의 구동을 제어하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제어기는 회생제동시 상기 공기공급차단수단을 제어하여 복수의 스택 중 상기 선택된 스택으로의 공기 공급을 차단함으로써 해당 스택의 발전을 정지시키는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어기는 상기 공기공급차단수단을 제어하여 상기 선택된 스택으 로의 공기 공급을 차단하는 동시에 발전이 정지된 스택을 제외한 나머지 스택의 요구 공기 공급량만을 제공할 수 있도록 상기 공기블로워의 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에서, 상기 연료전지가 제1스택과 제2스택을 직렬로 연결하여 2개의 스택으로 구성된 멀티 스택 구조인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 연료전지가 상대적으로 셀의 수가 적은 제1스택과, 상대적으로 셀의 수가 많은 제2스택을 직렬로 연결한 멀티 스택 구조로 구성되고, 상기 제1스택의 전단측 공기공급배관에 상기 공기공급차단수단이 구비되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 멀티 스택 구조의 연료전지-축전수단 하이브리드 시스템에 의하면, 연료전지를 복수의 스택이 직렬로 연결된 멀티 스택 구조로 개선하고, 회생제동시에는 상기 복수의 스택 중 미리 설정된 스택으로의 공기 공급을 중단시켜 발전을 정지시킴으로써 연료전지의 전체 전압을 슈퍼캡의 전압보다 낮게 유지하여, 연료전지가 축전수단을 불필요하게 충전시키는 것을 막을 수 있고, 이를 통해 에너지 회수량 증대 및 연비 향상의 효과를 얻을 수 있다.
또한 회생제동 에너지 회수의 극대화를 통해 회수되지 못한 에너지가 브레이크 패드에서 마찰열로 소모되는 것을 줄일 수 있고, 이를 통해 브레이크 패드 등 브레이크 계통 단품의 수명이 감소하는 문제점을 어느 정도 해결할 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
다음의 설명에서는 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시스템의 예를 들어 설명하기로 하며, 당업자라면 슈퍼캡이 축전수단의 특정한 예임을 쉽게 알 수 있을 것이다. 또한 당업자라면 본 발명의 기술적 사상이 슈퍼캡을 채용한 하이브리드 시스템을 포괄하여 연료전지-축전수단 하이브리드 시스템에 두루 적용될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
첨부한 도 2는 종래의 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시스템에서 회생제동시 전압 거동을 나타낸 도면으로서, 도 1에서와 같이 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시스템의 전체 영역을 영역(1), 영역(2), 영역(3)으로 구분할 때, 영역(1)의 전압은 연료전지 전압이 되고, 영역(2)의 전압은 슈퍼캡 전압이 된다. 도 1의 구조에서 회생제동시 모터(32)에서 생성된 에너지가 인버터(31)를 거쳐 영역(2)에 공급되고, 동시에 전기 부하가 사라진 연료전지 전압은 OCV 레벨로 회복하려 한다.
이때, 인버터(31)를 통해 영역(2)로 공급되는 전기에너지, 즉 회생제동 에너지는 전압이 가장 낮은 슈퍼캡(20)을 충전하게 된다. 동시에 OCV로 전압이 상승하려는 연료전지(10) 역시 영역(2)를 통해 슈퍼캡(20)을 충전하게 되는데, 이것이 종래의 시스템에서의 단점이 된다.
즉, 제동 중이므로 연료인 수소를 사용할 필요가 없음에도 불구하고 연료전지(10)에서는 슈퍼캡(20)의 충전을 위해 쓸데없이 수소가 소모된다. 또한 연료전 지(10)가 슈퍼캡(20)을 충전하고 있기 때문에 슈퍼캡이 빨리 충전되어, 그만큼 인버터(31)를 통해 공급되는 회생제동 에너지가 슈퍼캡에 충전될 수 없게 된다.
회생제동시에 영역(1)의 전압은 영역(2)의 전압보다 낮아야만 모터(32)에서 나오는 최대한의 회생제동 에너지를 슈퍼캡(20)에 저장할 수 있으며, 연료전지(10)의 불필요한 슈퍼캡 충전에 의해 수소가 낭비되는 것을 억제할 수 있게 된다.
그러나, 도 1과 같은 종래의 시스템 구조에서는 회생제동시 연료전지(10)가 슈퍼캡(20)을 불필요하게 충전하는 것을 막을 수 없다. 도 2를 참조하면, 영역(1), 영역(2), 영역(3)의 전압이 거의 차이가 나지 않으나 '영역(1)≥ 영역(2) > 영역(3)'의 순으로 전압이 유지된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 하이브리드 시스템은 회생제동 에너지의 극대화를 위해 연료전지의 구조를 멀티 스택 구조로 개선한 것에 주된 특징이 있는 것이다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시스템의 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시스템에서 회생제동시 전압 거동을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 시스템에서는 연료전지(10)가 복수의 스택(10a,10b)을 직렬로 연결하여 구성한 멀티 스택 구조로 되어 있으며, 이때 각 스택(10a,10b)은 셀의 수가 적절히 조정되어 설정된다.
즉, 본 발명에서 연료전지 스택은 직렬로 연결된 복수개의 스택(10a,10b)으로 분할 구성되는 것이며, 일 예로서 도 3의 실시예와 같이 연료전지(10)가 2개의 스택(10a,10b)으로 분할 구성될 수 있다. 이때, 연료전지(10)는 상대적으로 적은 수의 셀들로 구성된 제1스택(10b)과, 상대적으로 많은 수의 셀들로 구성된 제2스택(10a)으로 구성될 수 있다.
이렇게 복수개의 스택(10a,10b)으로 구성된 연료전지(10)에서 발전시에는 복수개의 스택이 모두 공기블로워(40)에 의해 공기를 공급받아 전기에너지를 생산하게 되며(물론, 이때 각 스택에는 연료인 수소가 공급되는 상태임), 회생제동시에는 복수개의 스택(10a,10b) 중 미리 설정된 스택(10b)에 대해서는 공기 공급을 차단하고(이때, 수소공급계의 밸브는 열어 수소 공급은 유지함) 나머지 스택(10a)에만 공기 공급을 유지하여, 공기가 공급되는 스택(공기와 수소 모두 공급)(10b)에서만 전기에너지를 생산하도록 한다.
이를 위해, 공기 공급이 선택적으로 차단되는 일부 스택(10b)의 전단측 공기공급배관(42)에는 공기블로워(40)에 의해 공급되는 공기를 선택적으로 차단할 수 있는 공기공급차단수단(43)을 구비하고, 이 공기공급차단수단(43)이 공기공급배관(42)의 공기를 차단할 때 상기 공기블로워(40)는 나머지 스택(10a)의 요구 공기 공급량만을 제공할 수 있도록 그 구동이 제어된다.
예컨대, 도 3에 예시한 바와 같이, 연료전지(10)가 2개의 스택(10a,10b)으로 분할 구성된 경우라면, 셀의 수가 적은 제1스택(10b)의 전단측 공기공급배관(42)에 공기블로워(40)에 의해 공급되는 공기를 선택적으로 단속할 수 있는 컨트롤 밸브 등 공기 공급을 선택적으로 차단/재개할 수 있는 공기공급차단수단(43)을 구비한다. 그리고, 상기 공기공급차단수단(43)이 공기 공급을 차단할 때 공기블로 워(40)는 셀의 수가 많은 제2스택(10a)의 요구 공기 공급량만을 제공할 수 있도록 그 구동이 제어된다.
여기서, 공기블로워(40)의 구동 및 공기공급차단수단(43)의 구동은 제어기(별도 도시하지 않음)에 의해 제어되며, 특히 상기 제어기는 회생제동시에 공기공급차단수단(43)의 구동을 제어하여 스택(10b)으로 공급되는 공기를 차단하고, 이때 나머지 스택(10a)의 요구 공기 공급량만을 제공할 수 있도록 공기블로워(40)의 구동을 제어하게 된다.
보다 상세히 설명하면, 평상시에는 연료인 수소가 각 스택(10a,10b)에 공급되는 상태(수소공급계의 밸브 개방)에서 동시에 각 스택에 공기블로워(40)에 의해 공기가 공급되며, 이에 직렬로 연결된 복수의 스택으로부터 생산된 전기에너지가 모터(32) 또는 슈퍼캡(20)으로 제공된다.
반면, 회생제동시에는 제어기의 제어하에 공기공급배관(42)을 통해 공급되는 공기를 공기공급차단수단(예, 컨트롤 밸브)(43)이 차단하고(이때, 수소는 계속 공급함), 공기블로워(40)의 구동이 나머지 스택(도 3의 예에서 제2스택임)(10a)의 요구 공기 공급량만을 제공할 수 있도록 제어된다.
그 결과로, 공기 공급이 중단된 스택(10b), 즉 제1스택은 발전을 중단하게 되며, 전압은 0V까지 떨어지게 된다. 이와 같이 제1스택(10b)의 전압이 0V로 떨어지게 되면 연료전지(10)의 전체 전압은 나머지 스택(10a), 즉 제2스택만의 전압과 같아지게 되는데, 제1스택(10b)과 제2스택(10a)의 설계시에 적절히 셀의 개수를 분할하였기 때문에, 제2스택(10a)만의 전압은 슈퍼캡(20)의 전압보다 낮다.
결국, 연료전지(10)의 전체 전압이 슈퍼캡(20)의 전압보다 낮아지므로, 비록 연료전지에서 전류를 뽑아 쓰지 않아 연료전지가 OCV 상태가 된다 해도, 연료전지는 슈퍼캡을 충전하지 않게 되고, 따라서 회생제동에 의해 생성된 모든 전기에너지가 슈퍼캡을 충전하게 된다.
도 3은 제1스택(10b)으로의 공기 공급을 차단한 상태에서 연료전지의 전체 전압이 슈퍼캡의 전압보다 낮은 상태를 보여주고 있다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따르면, 회생제동시에 연료전지의 전압을 슈퍼캡의 전압보다 항상 낮게 유지할 수 있게 되므로 연료전지가 슈퍼캡을 불필요하게 충전시키는 것을 막을 수 있고, 이를 통해 에너지 회수량 증대 및 연비 향상의 효과를 얻을 수 있게 된다.
도 1은 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시스템의 구성을 도시한 개략도,
도 2는 종래의 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시스템에서 회생제동시 전압 거동을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시스템의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시스템에서 회생제동시 전압 거동을 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10a, 10b : 스택 20 : 슈퍼캡
31 : 인버터 32 : 모터
40 : 공기블로워 41, 42 : 공기공급배관
43 : 공기공급차단수단

Claims (5)

  1. 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 축전수단을 구비한 연료전지 하이브리드 시스템에 있어서,
    상기 연료전지가 복수의 스택을 직렬로 연결한 멀티 스택 구조로 구성되고, 상기 복수의 스택 중 선택된 스택의 전단측 공기공급배관에 공기블로워에 의해 해당 스택으로 공급되는 공기를 차단하는 공기공급차단수단이 구비되며, 제어기가 상기 공기공급차단수단 및 공기블로워의 구동을 제어하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티 스택 구조의 연료전지 하이브리드 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는 회생제동시 상기 공기공급차단수단을 제어하여 복수의 스택 중 상기 선택된 스택으로의 공기 공급을 차단함으로써 해당 스택의 발전을 정지시키는 것을 특징으로 하는 멀티 스택 구조의 연료전지 하이브리드 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어기는 상기 공기공급차단수단을 제어하여 상기 선택된 스택으로의 공기 공급을 차단하는 동시에 발전이 정지된 스택을 제외한 나머지 스택의 요구 공 기 공급량만을 제공할 수 있도록 상기 공기블로워의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 멀티 스택 구조의 연료전지 하이브리드 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지가 제1스택과 제2스택을 직렬로 연결하여 2개의 스택으로 구성된 멀티 스택 구조인 것을 특징으로 하는 멀티 스택 구조의 연료전지 하이브리드 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료전지가 상대적으로 셀의 수가 적은 제1스택과, 상대적으로 셀의 수가 많은 제2스택을 직렬로 연결한 멀티 스택 구조로 구성되고, 상기 제1스택의 전단측 공기공급배관에 상기 공기공급차단수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티 스택 구조의 연료전지 하이브리드 시스템.
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