KR101090715B1 - 연료전지의 공기 공급량 제어 방법 - Google Patents

연료전지의 공기 공급량 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지의 공기 공급량 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 운전조건별로 최적의 공기량을 연료전지 스택에 공급하여 스택내에서의 플러딩(flooding) 및 막건조(dry-out)를 방지하는 동시에 연료전지 스택 및 가습기 등이 최적의 성능으로 발휘될 수 있도록 한 연료전지의 공기 공급량 제어 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 가습기 출구(스택 입구)의 온도 및 압력, 스택 출구의 온도 및 압력, 가습기 출구(스택 입구) 상대습도를 계측하고, 계측된 값들에 따라 공기 화학양론비 및 스택으로 공급되는 공기 공급량을 결정하되, 스택 출구의 공기 상대습도를 목표치에 도달시킬 수 있는 수준의 량으로 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급량 제어 방법을 제공한다.
연료전지, 공기 공급량, 제어 방법, 플러딩, 스택 출구, 막건조, 스택

Description

연료전지의 공기 공급량 제어 방법{Control method for air supply amount of fuel cell}
본 발명은 연료전지의 공기 공급량 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 운전조건별로 최적의 공기량을 연료전지 스택에 공급하여 스택내에서의 플러딩(flooding) 및 막건조(dry-out)를 방지하는 동시에 연료전지 스택 및 가습기 등이 최적의 성능으로 발휘될 수 있도록 한 연료전지의 공기 공급량 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지는 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등으로 나누어 볼 수 있으며, 전기에너지의 생성을 위하여 고순도의 수소가 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 에어블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지의 공기 극(cathode)으로 공급된다.
이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 된다.
현재, 연료전지 스택(이하, 스택으로 약칭함)의 공기극에 공급되는 공기량은 화학양론비(SR, Stoichiometry Ratio)의 약 2배 내외로 공급되고 있으며, 공급되는 공기량은 연료전지스택의 출력, 시스템 효율, 공기의 상대습도, 물균형(water balance) 등에 영향을 미치게 되며, 특히 연료전지 시스템의 기동시나 웜-업(warm-up)시와 같이 운전온도가 낮을 경우 플러딩(Flooding: 과잉응축)을 그리고, 고출력 운전시와 같이 운전온도가 상승할 때는 스택내의 막건조(Dry-out) 등을 발생시킬 수 있다.
상기 스택 내부에서 플러딩(Flooding: 과잉응축) 및 막건조(Dry-out) 현상이 발생되는 이유를 좀 더 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
스택에서 발생하는 물의 양은 스택에서 발생하는 전류량에 따라 비례하나, 스택에서 배출되는 공기가 함유할 수 있는 수증기의 양은 배기의 온도/압력 등에 따라 많은 차이를 보인다.
즉, 스택의 온도가 낮고 압력이 높을 경우, 공기에 포함될 수 있는 수증기의 양은 현저하게 줄어들게 되고, 이는 스택 내부에서 증발하지 못하고 응축되는 물의 양이 증가함을 의미한다. 반대의 경우 즉 온도가 높아지고 압력이 낮아질 경우, 공 기에 포함될 수 있는 수증기의 양이 급격히 증가하게 된다.(수학식 1 참조)
이렇게, 연료전지를 웜-업(warm-up)하기 전이나, 또는 낮은 출력으로 인해 스택의 온도가 정상상태에 도달하기 전에는 스택내에 공급된 공기에 포함될 수 있는 수증기의 양이 감소하여 발생된 물의 상당부분이 응축됨에 따라, 스택 내부에 플러딩과 같은 현상이 발생하여 공기채널을 막거나 촉매층을 감싸면서 연료전지의 성능저하를 비롯한 많은 문제를 초래하게 된다.
반대로, 스택의 온도가 높고 압력이 낮을 경우, 공기가 함유할 수 있는 수증기의 양이 급격히 증가하고, 증가되는 수증기의 양은 경우에 따라 스택에서 발생하는 물의 양보다 많아질 수 있기 때문에 스택내의 물균형(water balance)이 깨지면서 고분자 전해질막의 건조 현상(dry-out)이 발생될 수 있으며, 전해질막이 상대습도가 낮은 상태에서 계속되면 운전되면 종국에는 고분자 전해질막이 말라서 출력 및 내구성등에 많은 문제를 야기하게 된다.
따라서, 스택내의 고분자 전해질막에 대한 적절한 습도관리가 무엇보다 중요하며, 이를 위해 스택의 캐소드로 공급되는 공기를 가습기를 이용하여 적정 수준의 습도로 유지시키고 있지만, 공기를 가습하기 위한 물은 연료전지의 반응에 의해 생성되는 물을 사용하게 되므로, 스택내의 물균형을 고려해야 한다.
물균형이란, {스택에서 생성된 물의 양 - 스택(또는 연료전지 시스템)의 배기로 배출되는 물의 양}으로 정의할 수 있고, 따라서 물균형 양(+)이면 스택내에 물이 남게 되고, 물균형이 음(-)이면 물이 부족하게 된다는 것을 의미하며, 다른 관점에서 본다면, 최소한 연료전지에서 생성되는 물의 양이 배기에 포함된 물의 양 보다 많아야 물균형을 양(+)으로 유지할 수 있다는 것을 의미한다.
물균형에 있어서, 연료전지에서 생성되는 물의 양이 배기에 포함된 물(수증기)의 양보다 최소한도로 많은 양(+)으로 유지하는 것이 바람직하다.
시동시, 또는 운전온도가 낮고 운전압력이 높을 경우, 물균형은 (+)상태를 유지(배기에 의해 배출되는 수증기의 양이 스택에서 생성된 물보다 작은 경우를 의미함)하나, 스택 출구에서 과잉응축(flooding)이 발생할 수 있으며, 이는 운전온도가 낮을 경우 절대습도가 낮아져 스택에서 반응에 의해 생성된 물이 증발하지 못하고 응축하는데 기인하므로, 이를 회피하기 위하여 공기량을 조절할 필요성이 있다.
보다 상세하게는, 화학반응에 의해 생성된 물이 배기중에 수증기의 형태로 배출될 때, 운전온도가 낮을 경우에는 공기중에 포함될 수 있는 수증기의 절대량이 감소하는데, 이는 스택 내부에 물이 응축될 수 있음을 의미하며, 이를 방지하기 위해서 운전온도가 낮거나 운전압력이 높을 경우에는 공기량을 증가시켜 수증기로 배출될 수 있는 물의 양을 조절하면서 과잉응축을 막는 것이 필요하다.
반면에, 운전온도가 높거나 운전압력이 낮을 경우에는 상술한 바와 같이 공기가 함유할 수 있는 수증기의 양이 급격히 증가하여, 스택에서 발생하는 물의 양보다 많아질 수 있기 때문에 스택내의 물균형(water balance)이 깨지면서 고분자 전해질막의 건조 현상(dry-out)이 발생될 수 있으므로, 이를 방지하고자 공기량을 조절할 필요가 있다.
이러한 점을 감안한 종래기술로서, 공기극(cathode)에 공급되는 공기의 상대습도를 미리 설정된 수준 이상으로 유지하기 위하여, 스택의 냉각수 온도를 낮추거 나, 공기극(cathode)의 압력을 증가시키거나, 또는 공기극에 대한 화학양론비(Stoichiometry Ratio: 실제공급공기량/이론공기량)을 낮추어주는 방법이 미국특허(US2007/0287041)에 개시되어 있다.
즉, 공기극 입구 공기(Cathode inlet air)를 가습하기 위해 가습기(water vapor transfer device)에 공급되는 공기극 출구 공기(cathode exhaust gas)에 대한 상대습도를 높일 필요가 있을 때, 스택의 냉각수 온도를 낮추거나, 공기극 압력을 증가시키거나, 공기극에 대한 화학양론비(cathode stoichometry ratio)를 낮추어주는 방법을 적용함으로써, 미리 결정된 수준으로 공기극 입구 공기의 상대습도를 유지할 수 있고, 또한 미리 결정된 수준으로 공기극 입구 공기의 상대습도를 유지하기 위하여 스택의 출력을 제한하는 방법이 개시되어 있다.
그러나 상기 특허에서 제시하는 방안은 스택입구에서의 상대습도를 초기 원하는 수준으로 유지하기 위한 방법들을 제시한 것으로서, 스택의 운전온도나 운전압력을 고려하지 않고 스택입구에서의 상대습도를 원하는 수준으로 유지하는 방법을 제시하고 있지만, 특히 실제 스택의 운전온도가 낮을 경우 스택입구에서의 상대습도는 적정수준을 유지하더라도 출구에서는 과다응축이 발생하고, 운전온도가 높을 경우 스택출구에서는 막건조 현상이 발생할 소지가 다분하다.
그 밖의 종래기술로서, 스택 입구와 내부의 온도 및 습도를 검출하여 공기 공급량을 가변 제어하는 방법들이 존재하고 있지만, 물균형을 유지하면서 스택 출구 공기의 상대습도를 원하는 수준으로 조절하지 못하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 스택의 운전조건 즉, 스택 출구 공기의 온도 및 압력에 따라 공기 공급량을 소정의 범위내로 조절함으로써, 스택내의 물균형을 유지하면서 스택 출구 공기의 상대습도를 원하는 목표치로 맞추어 줄 수 있고, 스택 출구에서의 과잉 응축(flooding)을 용이하게 방지할 수 있도록 한 연료전지의 공기 공급량 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 가습기 출구(스택 입구)의 온도 및 압력(T_hto, P_hto), 스택 출구의 온도 및 압력(T_so, P_so), 가습기 출구(스택 입구) 상대습도(RH_hto)를 계측 또는 추정하고, 계측 또는 추정된 값들에 따라 공기 화학양론비(SRair) 및 스택으로 공급되는 공기 공급량(mdot_airin)을 결정하되, 스택 출구의 공기 상대습도를 목표치인 90~120%에 도달시킬 수 있는 수준의 량으로 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급량 제어 방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면 스택 운전조건(운전온도 및 운전압력)에 따라 스택으로 공 급되는 공기량을 소정의 범위내로 가변 조절하여, 스택 출구에서의 상대습도가 100% 내외를 유지하도록 함으로써, 스택 출구에서의 과다 응축을 방지하는 동시에 스택내의 고분저 전해질막의 건조 현상을 방지할 수 있으며, 결국 스택 내구성 향상 및 운전 안정성 향상을 도모할 수 있다.
또한, 스택에서 생성되는 물의 양보다 외부로 배출되는 물의 양이 더 많을 경우, 스택의 출력 제한을 하여 스택내의 물균형을 지속적으로 유지시킬 수 있다.
또한, 연료전지 냉시동시나 초기 스타트 업시(연료전지시스템이 정상온도에 도달하기 전), 스택내에 물의 잔량이 최소로 유지됨에 따라 냉시동성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
연료전지 시동시나 운전온도가 낮을 경우, 스택내 물균형은 (+)상태를 유지하나, 스택 출구에서 플러딩(Flooding)이 발생할 수 있으며, 이 플러딩 현상은 스택의 운전온도가 낮을 경우 절대습도가 낮아져 스택에서 반응에 의해 생성된 물이 증발하지 못하고 응축하는데 기인한다.
이에, 본 발명은 스택 출구에서의 플러딩 현상을 회피하고자, 공기 화학양론비를 최적화시켜 스택으로 공급되는 공기량을 가변 제어하여 스택 출구의 공기 상대습도를 100% 내외를 유지하도록 함으로써, 플러딩으로 발생된 물을 가습기를 통 하여 외부로 용이하게 배출시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지의 공기 공급량 제어 방법을 위한 제어 블럭도이고, 첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지의 공기 공급량 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
연료전지 시스템의 공기공급시스템은 에어 흐름량을 검출하는 AFS(12)와, 스택(10)의 공기극쪽으로 외기를 공급하는 공기블로워(14)와, 공기블로워(12)로부터의 공기를 가습시켜 스택(10)의 공기극으로 공급하는 가습기(16) 등을 포함하여 구성된다.
따라서, 상기 스택(10)의 출구로부터 물을 함유한 습식공기가 가습기(16)로 유입되는 동시에 공기블로워(14)로부터 흡입되어 가습기(16)를 통과하는 외부공기(건식공기)를 가습시키고, 가습된 공기는 연료전지 스택(10)의 공기극으로 공급된다.
도 1에서, 스택 제어기에 전송되는 제어 인자로서, m_air은 공급 공기량을, command는 공기공급기에 대한 rpm 명령을, RH_hto는 가습기 출구(스택 입구)의 공기 상대습도를 나타내고, 또한 T_hso, P_hso는 가습기 배기 출구측의 공기 온도 및 압력을, T_hto, P_hto는 가습기 출구(humidifier tube side out = 스택 입구)측의 공기 온도 및 압력을, T_so, P_so는 스택 출구(stack out = 가습기 배기 입구)측의 공기 온도 및 압력을 나타낸다.
본 발명에 따른 연료전지의 공기 공급량 제어 방법은 가습기 출구(스택 입구)의 온도 및 압력(T_hto, P_hto)를 계측하는 동시에 스택 출구의 온도 및 압 력(T_so, P_so)을 계측하고, 그리고 가습기 출구(스택 입구) 상대습도(RH_hto)를 계측한 후, 그 계측 결과에 따라 스택의 공기극으로 공급되는 공기 공급량을 조절하되, 스택의 공기극으로 공급되는 공기 공급량을 스택 출구에서의 공기 상대습도를 목표치에 도달시킬 수 있는 수준의 량으로 조절하는 점에 특징이 있다.
여기서, 본 발명에 따른 연료전지 공기 공급량 제어 방법을 순서에 따라 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 절대습도 및 상대습도와의 관계를 설명하면 다음과 같다.
절대습도(ω, humity ratio or absolute humity)는 ω ≡ mw / ma 로서, 여기서, mw는 혼합물에 존재하는 물 질량, ma 건공기 질량이며, 총 질량은 mw + ma가 된다.
상대습도(Φ, relative humidity)는 Φ≡ Pw / Psat로서, 여기서, Pw는 수증기 분압, Psat는 물의 포화수증기 압을 나타낸다.
위와 같은 절대습도와 상대습도의 관계를 달턴(Dolton) 모델을 적용하여 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009032022507-pat00001
연료전지 시스템의 스택내에서 전기 화학적 반응에 의하여 생성되는 물발생량(mdot_water_gen), 가습기에서 가습된 후 공기극으로 공급되는 공기에 함유된 물 량(mdot_water_hum), 스택 출구로 빠져나가는 공기 배기량(mdot_exh)은 아래의 수학식 2 내지 4를 통해 구할 수 있는 것으로 알려져 있다.
Figure 112009032022507-pat00002
Figure 112009032022507-pat00003
Figure 112009032022507-pat00004
한편, 스택 출구에서의 절대습도는 상기한 수학식 1의 정의에 따라 다음과 같은 수학식 5로 표현될 수 있다.
Figure 112009032022507-pat00005
여기서, 위의 수학식 5에 수학식 1,2,3을 대입하면, 공기의 화학양론비를 구할 수 있는 아래의 수학식 6이 도출된다.
Figure 112009032022507-pat00006
또한, 화학양론비(SRair)는 실제공기공급량/이론공기량(공기소모량)이고, 공 기소모량은 3.57×10-7×Pe/Vc 이므로, 실제 공기공급량(mdot_airin)은 아래의 수학식 7로 표현될 수 있다.
Figure 112009032022507-pat00007
위의 수학식 7에서, i(스택전류)는 Pe/Vc를 나타내고, n은 스택의 셀 수를 나타낸다.
한편, 상기한 수학식 1의 상대습도와 절대습도의 관계식으로부터 가습기 출구(스택 입구) 및 스택 출구(가습기 배기 입구)의 절대습도는 다음의 수학식 8 및 9로 도출된다.
Figure 112009032022507-pat00008
Figure 112009032022507-pat00009
이에, 상기 수학식 6에 위의 수학식 8 및 9를 대입하면, 스택 출구의 상대습도 100%를 유지하기 위한 공기의 화학양론비(Stoichiometric Ratio)를 결정할 수 있고, 또한 결정된 화학양론비(SRair)를 상기 수학식 7에 대입하면 공기 공급량(mdot_airin)을 결정할 수 있다.
이와 같이, 가습기 출구(스택 입구)측의 공기 온도 및 압력(T_hto, P_hto)과, 스택 출구(가습기 배기 입구)의 공기 온도 및 압력(T_so, P_so)을 알고, 그리고 가습기 출구의 상대습도(RH_hto)값을 알면, 이 값들을 수학식 8 및 9에 각각 대입하여 가습기 출구의 절대습도(ωhto) 및 스택 출구의 절대습도(ωso)를 구할 수 있고, 이 각 절대습도를 수학식 6에 대입하여 화학양론비(SRair)를 구할 수 있으며, 최종적으로 화학양론비(SRair)를 수학식 7에 대입하여 최적의 공기량 즉, 스택 출구에서 상대습도(RH) 100%±α(목표치)에 도달할 수 있는 공기 공급량을 결정하여 공급할 수 있게 된다.
이때, 상기 절대습도(ω)는 상대습도, 온도 및 압력의 함수로 표시될 수 있으며, 상기 수학식 9에서와 같이 스택 출구의 상대습도(RH_so)의 목표를 100%라고 가정(목표함수)할 때, 스택 출구의 절대습도(ωso)는 오직 온도/압력의 함수가 된다.
또한, 가습기 출구의 상대습도(RH_hto) 목표를 60%라고 가정(목표함수)할 때, 가습기 출구의 절대습도(ωhto)는 오직 온도/압력의 함수가 된다.
따라서, 가습기 출구의 상대습도(RH_hto) 값을 추정하던지 맵을 이용할 경우, 목표로 하는 스택 출구의 상대습도(RH_so) 또는 화학양론비(SRair)의 제어가 가 능하다.
다시 말해서, 가습기 출구의 상대습도(RH_hto)를 RH 센서를 통해 직접 측정하거나 가습기 출구의 공기온도와 공기유량의 관계를 이용하여 미리 평가한 시험결과에 따라 유추하여, 스택 출구의 상대습도(RH_so)를 100%로 유지하기 위한 공기의 화학양론비(Stoichiometric Ratio)를 결정할 수 있고, 또한 결정된 화학양론비(SRair)를 수학식 7에 대입하여 스택의 공기극으로 공급되는 최종적인 공기 공급량(mdot_airin)을 결정할 수 있다.
특히, 수학식 7을 통해 최종 결정된 공기 공급량은 스택내의 물균형을 유지하면서도 스택 출구에서의 플러딩(과다 응축)을 방지할 수 있는 범위인 상한값과 하한값을 정하게 되는데, 스택에서 요구되는 상한값은 일정량의 플러딩이 발생하여 응축된 물을 충분히 밀어낼수 있는 공기량으로 정하고, 하한값은 스택이 운전 가능한 영역 범위로서 SRair = 1.5~1.8 사이로 정한다.
한편, 스택의 운전온도는 열 및 물관리 시스템의 일 구성중 서모스탯(Thermostat)의 냉각수 온도 감지를 통해 적절한 온도로 유지되며, 가습기 배기 출구의 온도 및 압력(T_hso, P_hso: 대기압으로 추정가능)을 이용하여, 아래의 수학식 10에 나타낸 조건과 같이 스택에서 발생된 물의 양보다 가습기를 통과하여 가습기 배기 출구로 배출되는 물의 양이 많을 경우에 해당되면 스택의 물균형(water balance)을 유지하기 위하여 스택 출력을 제한할 수 있다.
Figure 112009032022507-pat00010
이상과 같이, 본 발명에 따르면 스택 운전조건(운전온도 및 운전압력)에 따라 스택으로 공급되는 공기량을 가변적으로 제어하여, 스택 출구에서의 상대습도가 100% 내외를 유지하도록 함으로써, 스택 출구에서의 과다 응축을 방지하는 동시에 스택의 막건조 현상을 방지할 수 있으며, 또한 스택의 출력 제한을 통해 스택내의 물균형을 지속적으로 유지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지의 공기 공급량 제어 방법을 위한 제어 블럭도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지의 공기 공급량 제어 방법을 설명하는 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 스택 12 : AFS
14 : 공기블로워 16 : 가습기

Claims (5)

  1. 가습기 출구(스택 입구)의 온도 및 압력(T_hto, P_hto), 스택 출구의 온도 및 압력(T_so, P_so), 가습기 출구(스택 입구) 상대습도(RH_hto)를 계측 또는 추정하고,
    계측 또는 추정된 값들에 따라 공기 화학양론비(SRair) 또는 스택으로 공급되는 공기 공급량(mdot_airin)을 결정하되, 스택 출구의 공기 상대습도를 목표치인 90~120%에 도달시킬 수 있는 수준의 량으로 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급량 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 화학양론비(SRair)는 가습기 출구의 공기 온도 및 압력(T_hto, P_hto)과, 스택 출구의 공기 온도 및 압력(T_so, P_so)과, 가습기 출구의 상대습도(RH_hto)를 기반으로, 가습기 출구의 절대습도(ωhto) 및 스택 출구의 절대습도(ωso)를 구한 후, 구해진 각 절대습도를 화학양론비(SRair)식에 대입하여 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급량 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 공급량(mdot_airin)은 스택에서 플러딩이 발생되어 응축된 물을 밀어낼 수 있는 량인 상한치와, 스택이 운전 가능한 영역 범위 SRair로 정해진 하한치인 SRair = 1.5~1.8 사이 범위로 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급량 제어 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    스택이 운전 가능한 영역 범위의 SRair로 운전된 후에도 스택에서 발생된 물의 양보다 가습기를 통과하여 가습기 배기 출구로 배출되는 물의 양이 많을 경우, 스택의 물균형(water balance)을 유지하기 위하여 스택 출력을 낮추는 제한 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급량 제어 방법.
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