KR101838510B1 - 증발냉각식의 연료 전지 시스템과 그것을 위한 냉각 제어 방법 - Google Patents

증발냉각식의 연료 전지 시스템과 그것을 위한 냉각 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 증발냉각식의 연료 전지 시스템 및 그를 위한 냉각 제어 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료인 수소와 산화제인 공기를 반응시켜 전력을 생산하는 스택이 구비된 연료 전지 시스템에서의 냉각 제어 방법은 상기 스택의 현재 운전 온도에 기반하여 상기 스택의 운전 압력을 제어하는 단계; 및 상기 현재 운전 온도에 기반하여 물탱크로부터 상기 스택에 공급되는 물의 양을 제어하는 단계를 포함하되, 상기 물은 상기 스택의 캐소드로 공급되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명은 소형 단순화된 연료 전지 시스템을 제공할 수 있으며, 그에 따른 원가 절감 및 경량화가 가능한 장점이 있다.

Description

증발냉각식의 연료 전지 시스템과 그것을 위한 냉각 제어 방법{EVAPORATIVE COOLING TYPE FUEL CELL SYSTEM AND STACK COLLING CONTROL METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 연료 전지 시스템과 그것의 냉각 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 시스템 내 스택의 온도에 따라 캐소드(Cathode) 내 공기량과 압력을 제어하여 스택을 냉각하고 차량 내 공급되는 공기를 가습하는 것이 가능한 증발냉각식의 연료 전지 시스템 및 그를 위한 냉각 제어 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료 전지 스택 내에서 전기 화학적으로 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.
연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소 공급 장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기(산소)공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 배출하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열/물 관리계(Thermal Management System, TMS) 및 연료 전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료 전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.
이러한 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 발생시키고, 반응 부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
차량용으로 가장 주목 받는 연료 전지 타입은 연료 전지 중 가장 높은 전력 밀도를 갖는 이온 교환막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell 혹은 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)이며, 이는 낮은 작동 온도로 인한 빠른 시동 시간과 빠른 전력 변환 반응 시간을 갖는 특징이 있다.
이온 교환막 연료 전지에 탑재되는 연료 전지 스택은 수소 이온이 이동하는 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기 화학 반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성되며, 수소와 산소(공기)가 공급될 때 연료전지반응에 의해 전류를 생성한다.
연료 전지 스택에서 수소는 양극인 에노드(anode, '연료극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 음극인 캐소드(cathode, '공기극' 혹은 '산소극'이라고도 함)로 공급된다.
양극으로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 음극으로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 음극으로 전달된다.
이때, 음극에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기 공급 장치에 의해 음극으로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응이 일어난다.
수소 이온의 이동에 따라 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생되며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다. 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.
이러한 이온교환막 연료 전지의 전극 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
[연료극에서의 반응] 2H2 → 4H+ + 4e-
[공기극에서의 반응] O2 + 4H++ 4e-→ 2H2O
[전체반응] 2H2 + O2 → 2H2O + 전기에너지 + 열에너지
상기 반응에서 수소 이온은 고분자막을 통과해 지나가야만 하는데, 수소의 막 투과성은 물 함유량의 함수로 결정되고, 반응이 진행됨에 따라 물이 발생하여 반응 기체와 막을 가습하게 된다.
가스가 건조한 경우에는 반응으로 생성된 물 전량이 공기를 가습하는데 쓰여 고분자막이 말라 버리며, 따라서, 연료 전지를 적절하게 가동하기 위해서는 고분자막이 습하게 유지되어야 한다. 왜냐하면 수소이온의 투과성은 막에 함유된 물의 함수로 결정되기 때문이다.
막이 너무 젖어 있을 경우에는 기체확산층(이하, GDL이라 함)의 기공이 막히게 되어 반응기체가 촉매에 접촉하지 못하는 경우가 발생하며, 이러한 이유로 막의 물 함유량을 적절히 유지하는 것은 매우 중요하다.
또한, 연료 전지는 산화제로서 순수 산소가 아닌 대기의 공기를 공급받는다. 하지만, 대기의 공기 습도는 막을 젖어있게 하는데 충분히 습하지 않으며, 따라서 연료 전지로 공급되기 전에 공기는 연료 전지의 원활한 작동을 위해서 충분히 가습되는 것이 바람직하다.
한편, 연료전지 스택은 단위 셀을 반복적으로 적층하여 쌓은 구조이며, 이때 단위 셀은 수소와 산소가 반응하여 전기 에너지를 발생시키기 위한 최소한의 연료 전지 구성 요소이다.
이러한 단위 셀 구조는 분리판, GDL, MEA가 적층된 구조이며, 여기서 분리판은 MEA와 GDL의 구조적 지지, 발생한 전류의 수집 및 전달, 반응기체의 수송, 반응생성물의 수송 및 제거, 그리고 반응열 제거를 위한 냉각수 수송 등의 다양한 역할을 담당하는 연료 전지의 핵심 부품이다.
연료전지 스택의 냉각 및 수분 관리와 관련된 종래기술로서, "Ion Exchange Membrane Fuel Cell Power Plant with Water Management Pressure Differentials"의 명칭으로 출원된 미국 특허 제5,700,595호(1997.12.23)에는 다공성(porous)의 분리판을 이용하여 냉각수에 의한 시스템 냉각 및 반응물 가습, 응축수 회수가 가능하도록 한 기술이 개시된 바 있다.
본 출원인은 "증발냉각식의 연료전지 시스템과 그 냉각방법{Evaporative cooling type fuel cell system and stack cooling method for the same}"의 명칭으로 출원된 한국특허 0986525(공개번호: 10-2009-0091388호, 공개일자: 2009년 08월 28일)를 통해 연료 전지 시스템에서 필요로 하는 공기만을 이용하여 냉각 채널(Cooling Channel), 라디에이터(Radiator) 및 캐소드(Cathode)에서 압력과 온도 조절을 통해 물의 증발과 응축을 제어하고 이를 통해 스택에서 발생되는 열을 방출하고 반응에 필요한 공기를 적절히 가습하는 것이 가능한 연료 전지 시스템 및 그 냉각 제어 방법을 개시한 바 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 증발냉각식의 연료 전지 시스템과 그것을 위한 냉각 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 스택의 운전 온도에 따라 캐소드(Cathode) 내 주입되는 공기량과 압력을 제어하여 스택을 냉각하고 차량 내 공급되는 공기를 가습하는 것이 가능한 증발냉각식의 연료 전지 시스템 및 그를 위한 냉각 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 라디에이터(Radiator)를 통해 회수되어야 할 응축수의 량에 기반하여 라디에이터의 출구 압력을 적응적으로 제어하는 것이 가능한 증발냉각식의 연료 전지 시스템 및 그를 위한 냉각 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료 전지 시스템의 요구 출력이 만족될 수 있도록 스택에 공급되는 공기량, 압력 및 라디에이터의 출구 압력을 제어하는 것이 가능한 증발냉각식의 연료 전지 시스템 및 그를 위한 냉각 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료 전지 시스템의 효율이 극대화되도록 스택에 공급되는 공기량, 압력 및 라디에이터의 출구 압력을 적응적으로 제어하는 것이 가능한 증발냉각식의 연료 전지 시스템 및 그를 위한 냉각 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 증발냉각식의 연료 전지 시스템 및 그를 위한 냉각 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료인 수소와 산화제인 공기를 반응시켜 전력을 생산하는 스택이 구비된 연료 전지 시스템에서의 냉각 제어 방법은 상기 스택의 현재 운전 온도에 기반하여 상기 스택의 운전 압력을 제어하는 단계; 및
상기 현재 운전 온도에 기반하여 물탱크로부터 상기 스택에 공급되는 물의 양을 제어하는 단계를 포함하되, 상기 물은 상기 스택의 캐소드로 공급되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 스택의 운전 압력은 상기 캐소드로 공급되는 공기량과 라디에이터의 운전 압력을 제어하여 조절될 수 있다.
또한, 상기 냉각 제어 방법은 상기 현재 운전 온도가 소정 스택 출력 제한 상한 온도 이상이면 상기 스택의 출력을 제한시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각 제어 방법은 상기 현재 운전 온도가 소정 스택 운전 상한 온도 이상이고 상기 물탱크의 수위가 소정 물탱크 제한 저수위 이상이면, 상기 운전 압력을 낮추고 상기 스택에 공급되는 물의 양을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 현재 운전 온도와 상기 스택 운전 상한 온도의 차이 값에 비례하여 상기 스택에 공급되는 물의 양이 증가되도록 제어될 수 있다.
또한, 상기 냉각 제어 방법은 상기 현재 운전 온도가 소정 스택 운전 상한 온도 이상이고, 상기 물탱크의 수위가 소정 물탱크 제한 저수위 미만이면 상기 스택의 출력을 제한시킬 수도 있다.
또한, 상기 냉각 제어 방법은 상기 현재 운전 온도가 미리 설정된 소정 스택 운전 온도 범위 내인 경우, 상기 공급되는 물의 양을 유지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각 제어 방법은 상기 현재 운전 온도가 상기 스택 운전 온도 범위 이하인 경우, 상기 스택에 공급되는 물의 양이 감소되도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각 제어 방법은 상기 물탱크의 수위가 미리 설정된 물탱크 목표 수위 범위 내인 경우, 상기 물탱크로 응축수를 공급하는 라디에이터의 운전 압력 및 상기 캐소드에 공급되는 공기량에 대응되는 공기 SR을 유지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각 제어 방법은 상기 물탱크의 수위가 상기 물탱크 목표 수위 범위를 초과하면, 상기 라디에이터의 운전 압력을 감소시키는 단계를 더 포함하되, 상기 라디에이터의 운전 압력이 감소되면 상기 물탱크로 공급되는 응축수의 양이 감소될 수 있다.
또한, 상기 냉각 제어 방법은 상기 물탱크의 수위가 상기 물탱크 목표 수위 범위 이하인 경우, 상기 라디에이터의 운전 압력을 증가시키는 단계와 상기 공기 SR을 감소시키는 단계와 상기 스택의 출력을 제한하는 단계 중 적어도 하나의 단계를 더 수행할 수 있다.
또한, 상기 냉각 제어 방법은 상기 확인된 물탱크의 수위가 상기 물탱크 목표 수위 범위를 초과하는 경우, 상기 라디에이터의 운전 압력을 유지시키고 상기 공기 SR을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료인 수소와 산화제인 공기를 반응시켜 전력을 생산하는 스택이 구비된 연료 전지 시스템은 상기 연료 전지 시스템 외부로 공기를 배출하는 제1 밸브와 상기 스택의 캐소드에 공급되는 공기량을 제어하는 제2 밸브와 상기 제2 밸브를 통해 주입된 공기의 압력을 제어하여 상기 스택에 공급하는 제1 압축기와 상기 스택으로부터 배출된 공기의 압력을 제어하는 제2 압축기와 상기 제2 압축기로부터 전달된 상기 배출 공기의 열을 방열하여 상기 스택에 공급될 응축수 및 상기 제1 밸브를 통해 배기될 공기를 생성하는 라디에이터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 스택의 운전 압력은 상기 제2 밸브, 상기 제1 내지 제2 압축기 중 적어도 하나를 제어하여 조절될 수 있다.
또한, 상기 라디에이터에서 생성되는 응축수의 량은 상기 라디에이터의 운전 압력을 제어하여 조절될 수 있다.
또한, 상기 라디에이터의 운전 압력은 상기 제2 압축기 및 상기 제1 밸브 중 적어도 하나를 제어하여 조절될 수 있다.
또한, 상기 연료 전지 시스템은 상기 스택에 공급될 응축수를 저장하기 위한 물탱크를 더 포함하되, 상기 물탱크 수위가 소정 목표 수위 범위내로 유지되도록 상기 스택의 운전 압력, 상기 라디에이터의 운전 압력, 상기 캐소드에 공급되는 공기량에 대응되는 공기 SR 중 적어도 하나가 동적으로 제어될 수 있다.
또한, 상기 물탱크 수위가 상기 목표 수위 범위 이하인 경우, 상기 스택의 출력이 제한될 수 있다.
또한, 상기 스택의 요구 출력에 기반하여 동적으로 상기 스택 및 상기 라디에이터의 운전 압력이 제어될 수 있다.
또한, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기에 의해 소모되는 전력이 최소화되고 상기 스택의 출력이 최대화되도록 상기 공기량, 상기 스택의 운전 압력, 상기 라디에이터의 운전 압력 중 적어도 하나가 동적으로 제어될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예는 상기한 연료 전지 시스템에서의 냉각 제어 방법들 중 어느 하나의 방법을 실행시키는 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 및 해당 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공할 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 방법 및 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 증발냉각식의 연료 전지 시스템과 그것을 위한 냉각 제어 방법을 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 종래 증발냉각식의 연료 전지 시스템의 구성을 단순화함으로써, 원가 절감 및 소형 경량화된 연료 전지 시스템을 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 연료 전지 시스템의 요구 출력이 만족될 수 있도록 스택의 캐소드(Cathode) 내 주입되는 공기량, 압력 및 응축수 량을 적응적으로 제어함으로써, 연료 전지 시스템의 효율을 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 스택 냉각 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 스택 배기 온도에 따른 스택 배기 압력의 한계 값을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 라디에이터내에서의 응축 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 라디에이터 배기 온도에 따른 라디에이터 배기 압력의 한계 값을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 특정 조건에서의 연료 전지 시스템의 스택 및 라디에이터에서의 배기 온도에 따른 배기 압력 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 냉각 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템(100)은 스택(Stack, 10), 제1 내지 제2 밸브(20, 30), 제1 내지 제2 압축기(40, 50), 라디에이터(Radiator, 60) 및 물탱크(Water Reservoir, 70)를 포함하여 구성될 수 있다. 다만, 연료 전지 시스템(100)의 각 구성 요소들을 전기적인 제어 신호를 통해 제어하는 연료 전지 시스템 제어기(미도시)이 연료 전지 시스템(100)에 포함될 수 있음을 주의해야 한다.
스택(10)은 양극인 에노드(11)와 음극인 캐소드(12)를 포함하여 구성될 수 있으며, 에노드(11)와 캐소드(12) 사이의 물 생성 반응에 따라 전기 에너지와 수증기를 발생시킨다. 이때, 스택(10) 내 생성된 전력은 에노드(11)를 통해 출력될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 스택(10) 내 발생되는 열을 냉각시키기 위한 물과 스택(10) 내 물 생성 반응을 발생시키기 위한 산화제인 공기가 각각 물 공급 라인(81)과 공기 공급 라인(82)을 통해 캐소드(12)에 공급될 수 있다.
이때, 캐소드(12)에 주입되는 공기량 및 공기의 압력은 각각 제2 밸브(30) 및 제1 압축기(40)에 의해 각각 제어될 수 있다.
연료 전지 시스템은 스택(10)의 목표 운전 온도에 기반하여 캐소드(12)에 주입되는 공기량과 압력이 제어될 수 있다. 물 생성 반응에 따라 스택(10)에서 발생되는 열은 상기 물 공급 라인(81)을 통해 캐소드(12)로 공급된 물을 증발시켜 수증기를 발생시키며, 이때, 발생되는 수증기의 증발 잠열로 스택(10)의 냉각이 이루어진다. 물론, 스택(10) 내부에서의 물 생성 반응에 의해서도 고온의 수증기가 발생될 수 있다.
스택(10) 내 발생된 고온의 수증기는 캐소드(12)의 일측에 연결된 공기 배출 라인(83)을 통해 제2 압축기(50)에 전달될 수 있다. 이때, 공기 배출 라인(83)을 통해 배출되는 수증기는 거의 포화 상태일 수 있다.
물의 증발 잠열은 섭씨 80도에서 약 2300kJ/kg이며, 현열에 비해 대단히 많은 열을 필요로 한다.
스택(10) 내 물의 증발은 온도가 높고 압력이 낮을수록 유리하며, 스택(10)의 캐소드(12)에 공급되는 공기에 포함된 증발 가능한 수증기량도 온도가 높고, 압력이 낮은 경우 증가하게 된다.
따라서, 캐소드(12)에 공급된 물을 잘 증발시키기 위해서는 캐소드(12) 내 온도는 높아야 하고, 압력은 낮아야 한다. 하지만, 스택(10)의 성능을 높이기 위해서는 캐소드(12)의 온도와 압력이 적절히 유지되어야 한다.
일 예로, 캐소드(12) 내의 압력은 제1 압축기(40) 및 제2 압축기(50)를 제어하여 조절될 수 있다. 다른 일 예로, 캐소드(12) 내의 압력은 제2 밸브, 제1 압축기(40) 및 제2 압축기(50)를 제어하여 조절될 수도 있다.
라디에이터(60)에 공급되는 고온 다습한 수증기의 압력은 제2 압축기(50)에 의해 제어될 수 있다.
라디에이터(60)는 고온/고압의 다습한 수증기가 가지고 있는 열을 방열하여 응축수를 생성할 수 있다. 상세하게, 상기 방열에 따라 라디에이터(60)에서의 온도가 낮아지고 압력은 상승하여 절대습도가 낮아지므로 수증기가 물로 응축될 수 있다.
라디에이터(60)에 의해 응축된 물-이하 설명의 편의를 위해 응축수라 명함-의 양은 라디에이터(60) 출구의 온도 및 공기량에 따라 출구의 총 압력을 제어하여 조절될 수 있다. 여기서, 라디에이터(60) 출구의 총 압력은 제2 압축기(50) 및 제1 밸브(20)를 통해 제어될 수 있다.
상세하게, 외기 온도 및 방열해야 하는 절대 열량에 따라 라디에이터(60) 출구의 온도 및 공기량이 결정될 수 있으며, 결정된 출구의 온도 및 공기량에 따라 제1 밸브(20)를 통해 배기되는 수증기량-즉, 라디에이터(60)에 공급되는 수증기량 - 라디에이터(60)에 의해 응축된 물의 량-은 출구의 총 압력을 제어하여 조절될 수 있다. 즉, 차량 내 습도는 제2 압축기(50) 및 제1 밸브(20)를 통한 라디에이터(60) 출구의 총 압력을 제어하여 조절될 수 있다.
라디에이터(60)에서의 응축수량은 공기량이 적고, 온도가 낮으며, 압력이 높을수록 증가할 수 있다.
라디에이터(60)에서 응축된 물은 라디에이터(60)의 출구 일측에 구비된 별도의 응축수 배관(84)을 통해 물탱크(70)로 전달될 수 있으나 이는 하나의 실시예에 불과하며 라디에이터(60)에 의해 응축된 물을 물탱크(70)로 전달하는 방법은 한정되지 않는다. 일 예로, 라디에이터(60)에는 응축된 물을 응축수 배관(84)을 통해 물탱크(70)로 전달하기 위한 배수 펌프(미도시)가 별도로 구비될 수도 있다. 다른 일 예로, 라디에이터(60)에서 응축된 물을 제2 압축기(50)를 통한 압력 제어에 의해 응축수 배관(84)을 통해 물탱크(70)에 전달될 수도 있다.
라디에이터(60) 출구로 배기되는 냉각 공기는 어느 정도 수증기를 포함하는 가습 공기일 수 있으며, 라디에이터 배기 라인(85)을 통해 제1 밸브(20)에 전달된 후 연료 전지 시스템(100) 밖으로 배출될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 제2 밸브(30)를 통해 주입되는 대기 공기에 포함된 수증기량과, 제1 밸브(20)를 통해 배출되는 공기의 수증기량을 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 만약, 제1 밸브(20)를 통해 배출되는 수증기량이 제2 밸브(30)를 통해 주입되는 수증기량보다 많은 경우, 물탱크(70)에 유지되는 물의 양은 점차적으로 감소할 수 있다. 이는, 캐소드(12)에 충분한 물이 공급되지 않은 스택(10) 내부의 온도가 상승하는 결과를 야기시킬 수 있다.
또한, 제2 밸브(30)를 통해 주입되는 대기 공기에 포함된 수증기량과, 제1 밸브(20)를 통해 배출되는 공기의 수증기량을 일정하게 유지하는 것은 물탱크(70)에 물을 보충해야 하는 불편을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 전체적인 연료 전지 시스템의 성능을 유지시킬 수 있는 장점이 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 대기 공기의 특성, 스택(10)의 목표 운전 온도, 스택(10)의 목표 출력 전력량 등에 기반하여 적응적으로 제1 내지 제2 밸브(20, 30), 제1 내지 제2 압축기(50) 중 적어도 하나를 제어함으로써, 연료 전지 시스템의 성능을 일정하게 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 상기한 제2 밸브(30)를 통해 주입되는 대기 공기에 포함된 수증기량과, 제1 밸브(20)를 통해 배출되는 공기의 수증기량을 일정하게 유지시킴으로써, 차량 내 실내 습도를 차량 외부의 습도와 유사 또는 동일하게 유지시킬 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 제2 밸브(30)를 통해 주입되는 대기 공기를 통해 캐소드(12) 내에서 증발 가능한 수증기량(mvap)을 산출하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.
대기 공기를 통해 캐소드(12) 내에서 증발 가능한 수증기량(m vap )은 라디에이터(60)의 출구를 통해 배출되는 응축수를 제외환 수증기량-즉, 제1 밸브(20)를 통해 배출되는 공기에 포함된 수증기량-을 제어를 위한 목표 값으로 설정될 수 있다.
대기 공기를 통해 캐소드(12) 내에서 증발 가능한 수증기량(m vap )은 하기 수식 1에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112016023736114-pat00001
상기 수식 1에서 보여지는 바와 같이, 증발 가능한 수증기량(mvap )를 제어하기 위한 변수는 캐소드(12)에 공급되는 공기량-여기서, 공기량은 공기양론비인 공기 SR에 비례-, 캐소드(12) 내 총 압력, 대기 공기의 상대 습도 및 포화 수증기압을 포함한다.
스택(10)의 캐소드(12)의 경우, 열이 충분히 잘 공급되므로 물이 증발하기 좋은 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 캐소드(12)에 의해 배출되는 공기는 상대습도는 거의 포화 상태에 가까울 수 있다. 따라서, 스택(10)의 온도를 목표 수준으로 조절하기 위해서는 캐소드(12)에 주입되는 공기량과 캐소드(12) 내 압력을 제어함으로써, 캐소드(12)에서의 수분 증발량을 조절할 수 있다.
연료 전지 시스템(100)에서 궁극적으로 제어하고 싶은 변수는 스택(10)의 운전 온도이며, 캐소드(12) 내에서의 수증기 증발량 및 증발 잠열이 제어되지 않는 경우, 냉각이 제대로 이루어지지 않아 스택(10) 내부 온도가 상승하게 될 수 있다. 이러한 문제 해결을 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 캐소드(12)에 주입되는 공기량 및 압력을 제어하여 스택(10)에서의 수증기 증발량 및 증발 잠열을 제어하고 목표 온도를 유지시키고, 상기 수증기 증발량에 따라 라디에이터(60)의 방열량 및 압력을 제어함으로써, 일정량의 물이 물탱크에 유지될 수 있도록 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 스택 냉각 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.
상세하게, 도 2는 스택(10)의 캐소드(12)에서의 수증기 증발량을 제어하여 목표 운전 온도를 유지하는 절차를 보여준다.
단계 210에서, 캐소드에 유입되는 공기를 이용한 물 생성 반응을 통해 전력 및 열이 생성된다.
단계 220에서, 발생된 열을 통해 캐소드에 유입되는 물이 증발되어 수증기가 발생되고, 발생된 수증기에 의한 증발 잠열로 인해 스택 내부가 냉각된다.
단계 230에서, 발생된 수증기는 캐소드에 구비된 출구를 통해 배출된다.
단계 240에서, 스택의 목표 운전 온도 및 현재 스택의 내부 온도에 따라 캐소드에 유입되는 공기량 및 캐소드 내 압력을 제어하여 목표 운전 온도가 유지된다.
상기한 240 단계에서 캐소드에 유입되는 공기량 및 캐소드 내 압력은 상기한 도 1의 제2 밸브(30), 제1 압축기(40) 및 제2 압축기(50) 중 적어도 하나를 제어하여 조절될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 스택 배기 온도에 따른 스택 배기 압력의 한계 값을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 스택의 목표 운전 온도를 유지시키기 위한 스택에서 배기되는 수증기의 온도에 따른 스택 배기 압력의 한계 값-즉, 정상 동작 범위-은 한계 라인(310)의 오른쪽 하단의 영역일 수 있다. 일 예로, 도 3을 참조하면, 스택의 배기 온도가 섭씨 80도인 경우, 스택 정상 동작을 위한 스택 배기 압력의 최대 값은 약 86kPa이하임을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 라디에이터에서의 응축 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 단계 410에서, 유입되는 고온의 포화 상태인 수증기의 열이 외기에 방열될 수 있다.
단계 420에서, 방열에 따라 발생되는 응축수 및 냉각 공기를 배출할 수 있다.
단계 430에서, 배출되는 냉각 공기에 포함된 수증기량이 일정 수준 유지되도록 라디에이터 내부 압력이 제어될 수 있다.
상기한 430 단계에서, 라디에이터의 내부 압력은 상기한 도 1에서 설명된 바와 같이, 제1 밸브(20) 및 제2 압축기(50)를 제어하여 조절될 수 있다.
또한, 냉각 공기에 포함된 수증기량은 스택 내 캐소드에서 물 생성 반응에 의해 발생되는 수증기량에 기반하여 제어될 수 있다. 일 예로, 냉각 공기에 포함된 수증기량은 스택 내 캐소드에서 물 생성 반응에 의해 발생되는 수증기량과 동일하도록 제어될 수 있다. 다른 일 예로, 냉각 공기에 포함된 수증기량은 물탱크(70)에 유지되는 물의 양이 소정 기준치 이상을 유지할 수 있도록 제어될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 라디에이터 배기 온도에 따른 라디에이터 배기 압력의 한계 값을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 스택 냉각에 필요한 물을 응축시켜 회수하기 위한 라디에이터의 운전 가능 영역은 한계 라인(510)의 왼쪽 상단 영역일 수 있다.
일 예로, 라디에이터 배기 온도가 섭씨 80도인 경우, 라디에이터 배기 압력은 최소 약 200kPa 이상이 유지되어야 한다.
대기 중에 포함될 수 있는 수증기의 양은 상기한 수식 1에 도시된 바와 같이, 공기량, 압력, 상대 습도 및 포화수증기압의 네가지 변수에 의해 결정될 수 있다.
연료 전지 시스템의 라디에이터에서 수증기 응축을 유도하는 출구는 상대 습도가 거의 포화 상태에 가까울 수 있다. 따라서, 상기한 도 1의 제1 밸브(20) 및 제2 압축기(50)를 제어하여 라디에이터 출구 압력이 조절될 수 있다.
라디에이터에서의 응축은 라디에이터 출구 압력(P_total)이 상승하고 외부 유체-예를 들면, 차량의 경우 공기일 수 있음-에 의해 냉각-Psat가 감소하는 것을 의미함-되면 공기에 포함될 수 있는 수증기의 양이 줄어들면서 발생될 수 있다. 이 경우, 배기는 이슬점에 도달하므로 상대 습도는 포화상태라고 볼 수 있다.
따라서, 라디에이터에서 응축되는 물의 양을 제어하기 위해서는 라디에이터 출구 압력을 제어함으로써 조절될 수 있다. 물론, 상기 도 5에 도시된 바와 같이, 라디에이터 배기 온도를 낮출 수 있다면 라디에이터의 출구 압력을 낮출 수 있으므로 상기한 도 1의 제2 압축기(50)의 구동에 필요한 소모 전력을 절감될 수 있으며, 그에 따라 연료 전지 시스템의 전력 효율을 증대시킬 수 있다. 하지만, 고출력의 경우, 라디에이터 방열량의 한계로 배기의 온도는 상승하게 되며, 이로 인해 동일한 응축 수량을 회수하기 위해서는 라디에이터 출구 압력을 증가시켜야 한다. 물론, 물탱크(70)에 유지될 수 있는 물의 저장 용량에 따라 물 응축량은 보다 탄력적으로 조절될 수 있음을 주의해야 한다.
도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 특정 운전 조건에서의 연료 전지 시스템의 스택 및 라디에이터에서의 배기 온도에 따른 배기 압력 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 상기한 도 1의 연료 전지 시스템(100)에서 하기 표 1에 따른 운전 조건을 적용하였을 때의 각각의 구성 요소에서의 입/출력 값들을 보여준다.
운전 조건
Pe 100 kW 스택 출력
vcell 0.6 V 셀 평균전압
sr_air 1.6 / 2.4 - 공기 SR
T_amb 40 ℃ 대기온도
P_amb 100 kPa_a 대기압
rh_amb 30 % 대기습도
P_sin 120 kPa_a 스택 입구 공기압력
rh_sout 98 % 스택 출구 RH, 희망값
rh_rout 98 % radiator 출구 RH, 희망값
상기 도 6에 도시된 수치들 중 검은색은 이미 주어진 값이고, 녹색은 결정된 값이고, 파란색 및 빨간색은 계산된 값을 의미한다.
상기한 표 1의 운전 조건인 경우, 스택(10) 출구 배기의 RH를 98%, 온도를 섭씨 85도, 압력을 105kPa로 유지하고, 라디에이터(60) 출구 온도가 섭씨 75인 상태에서 라디에이터(60)의 배기 압력을 160kPa로 유지하면 배출되는 응축수의 양은 43.3g/s이고, 캐소드(12)에서의 증발 잠열을 포함한 공기+물에 의해 흡수되는 열량은 약 108kW이며, 스택(10)을 냉각시키면서 차량 내부 공기를 가습할 수 있음을 알 수 있다.
만약, 외기 온도가 낮아 라디에이터(60)의 배기 온도를 더 낮게 유지할 수 있는 경우, 라디에이터(60)의 배기 압력을 낮게 유지하면서 공기 SR을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 스택(10)의 운전 압력을 높게 유지할 수 있으므로 전체적인 연료 전지 시스템(100)을 효율적으로 운영할 수 있는 특징이 있다.
도 7을 참조하면, 공기 SR이 각각 1.6과 2.4인 경우에 있어서의 스택과 라디에이터에서의 배기 온도에 따른 제어 가능한 배기 압력의 범위를 보여준다.
도 7에 도시된 바와 같이, 공기 SR이 1.6에서 2.4로 증가하는 경우, 동일 배기 온도에서 제어 가능한 스택의 배기 압력은 낮아지는 것을 알 수 있다. 또한, 공기 SR이 1.6에서 2.4로 증가하는 경우, 동일 배기 온도에서 제어 가능한 라디에이터의 배기 압력은 높아지는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 냉각 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8을 참조하면, 연료 전지 시스템 제어기에는 연료 전지 시스템 제어에 필요한 각종 제어 파라메터가 미리 설정될 수 있다(S801). 여기서, 미리 설정된 제어 파라메터는 스택 운전 온도=Ts, 스택 운전 온도 범위 = T_low ~ T_high(여기서, T_low는 스택 운전 하한 온도이고, T_high는 스택 운전 상한 온도), 스택 출력 제한 상한 온도 = Ts_limit, 스택 운전 압력 = Ps, 라디에이터 운전 온도=Tr, 라디에이터 운전 압력 = Pr, 물탱크 수위 = L1, 물탱크 목표 수위 = L_low~L_high, 물탱크 제한 저수위 = L_limit, 스택 출력 = Pe 및 공기 SR = SR_air 등을 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템 제어기는 Ts가 T_high 이상인지 여부를 확인할 수 있다(S802).
확인 결과, Ts가 T_high 이상인 경우, 연료 전지 시스템 제어기는 L1이 L_limit 이상인지를 확인할 수 있다(S803).
확인 결과, L1이 L_limit 이상이면, 연료 전지 시스템 제어기는 스택 운전 압력(Ps)를 낮추고 스택의 캐소드에 공급되는 물 분사량을 증가시킬 수 있다(S804).
만약, 상기한 803 단계에서, L1이 L_limit보다 작으면, 연료 전지 시스템 제어기는 스택의 출력(Pe)을 제한할 수도 있다(S805).
또한, 상기한 802 단계의 확인 결과, Ts가 T_high보다 작으면, 연료 전지 시스템 제어기는 Ts가 L_low 이상인지를 확인할 수 있다.
확인 결과, Ts가 L_low 이상이면, 연료 전지 시스템 제어기는 스택의 캐소드에 공급되는 물 분사량을 그대로 유지되도록 제어할 수 있다(S807).
반면, Ts가 L_low보다 작은 것으로 확인되면, 연료 전지 시스템 제어기는 스택의 캐소드에 공급되는 물 분사량을 감소시킬 수 있다(S808).
상기한 802 단계 내지 808 단계는 스택 운전 온도에 기반하여 적응적으로 스택의 캐소드에 분사되는 물의 양 및 캐소드 내의 압력을 제어함으로써, 시스템 효율을 최적화시키는 방법에 관한 것이다.
이하에 설명될 도 8의 단계 809 내지 단계 814는 물탱크 수위에 다라 적응적으로 라디에이터의 운전 압력 및 공기 SR를 제어함으로써 스택 냉각에 필요한 물탱크 수위를 지속적으로 유지시키는 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템 제어기는 L1이 L_high 이상인지 확인할 수 있다(S809).
확인 결과, L1이 L_high 이상이면, 연료 전지 시스템 제어기는 라디에이터의 운전 압력을 유지 또는 저하시킬 수 있다(S810). 다른 일 예로, L1이 L_high 이상이면, 연료 전지 시스템 제어기는 공기 SR을 증가시킬 수도 있다.
연료 전지 시스템 제어기는 L1이 L_high보다 작고 L_low이상인지 확인할 수 있다(S811).
확인 결과, L1이 L_high보다 작고 L_low이상이면, 연료 전지 시스템 제어기는 라디에이터 운전 압력 및 공기 SR이 유지되도록 제어할 수 있다(S812).
만약, L1이 L_low보다 작은 경우, 연료 전지 시스템 제어기는 L1이 L_limit이상인지를 확인할 수 있다(S813).
확인 결과, L1이 L_limit이상이면, 연료 전지 시스템 제어기는 라디에이터의 운전 압력-즉, 라디에이터의 배기 압력-을 증가시키면서 공기 SR을 감소시킬 수 있다(S814). 이 경우, 연료 전지 시스템 제어기는 추가적으로 스택의 출력을 제한함으로써 보다 많은 응축수가 라디에이터에 의해 생성될 수 있도록 제어할 수도 있다.
상기한 813 단계의 확인 결과, L1이 L_limit보다 작은 경우, 연료 전지 시스템 제어기는 보다 많은 응축수가 생성되도록 라디에이터 운전 압력을 증가시키고 공기 SR을 감소시킬 수 있다(S815). 다른 일 예로, 이 경우, 연료 전지 시스템 제어기는 스택의 출력을 제한할 수도 있다.
상기와 같이 설명된 연료 전지 시스템에서의 냉각 제어 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 해당 장치에 다운로드되어 실행될 수도 있다.
또한, 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 연료인 수소와 산화제인 공기를 반응시켜 전력을 생산하는 스택이 구비된 연료 전지 시스템에서의 냉각 제어 방법에 있어서,
    상기 스택의 현재 운전 온도에 기반하여 상기 스택의 운전 압력을 제어하는 단계; 및
    상기 현재 운전 온도에 기반하여 물탱크로부터 상기 스택에 공급되는 물의 양을 제어하는 단계
    를 포함하되, 상기 물은 상기 스택의 캐소드로 공급되는 것을 특징으로 하는, 냉각 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스택의 운전 압력은 상기 캐소드로 공급되는 공기량과 라디에이터의 운전 압력을 제어하여 조절되는, 냉각 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 현재 운전 온도가 소정 스택 출력 제한 상한 온도 이상이면 상기 스택의 출력을 제한시키는 단계를 더 포함하는, 냉각 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 현재 운전 온도가 소정 스택 운전 상한 온도 이상이고 상기 물탱크의 수위가 소정 물탱크 제한 저수위 이상이면, 상기 운전 압력을 낮추고 상기 스택에 공급되는 물의 양을 증가시키는 단계를 더 포함하는, 냉각 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 현재 운전 온도와 상기 스택 운전 상한 온도의 차이 값에 비례하여 상기 스택에 공급되는 물의 양이 증가되는 것을 특징으로 하는, 냉각 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 운전 온도가 소정 스택 운전 상한 온도 이상이고 상기 물탱크의 수위가 소정 물탱크 제한 저수위 미만이면 상기 스택의 출력을 제한시키는 단계를 더 포함하되, 상기 스택의 출력을 제한하기 이전에 상기 물탱크의 수위에 따라 상기 운전 압력 및 상기 캐소드로의 물 공급량 중 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는, 냉각 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 현재 운전 온도가 미리 설정된 소정 스택 운전 온도 범위 내인 경우, 상기 공급되는 물의 양을 유지시키는 단계를 더 포함하는, 냉각 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 현재 운전 온도가 상기 스택 운전 온도 범위 이하인 경우, 상기 스택에 공급되는 물의 양이 감소되도록 제어하는 단계를 더 포함하는, 냉각 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 물탱크의 수위가 미리 설정된 물탱크 목표 수위 범위 내인 경우, 상기 물탱크로 응축수를 공급하는 라디에이터의 운전 압력 및 상기 캐소드에 공급되는 공기량에 대응되는 공기 SR을 유지시키는 단계를 더 포함하는, 냉각 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 물탱크의 수위가 상기 물탱크 목표 수위 범위를 초과하면, 상기 라디에이터의 운전 압력을 감소시키는 단계를 더 포함하되, 상기 라디에이터의 운전 압력이 감소되면 상기 물탱크로 공급되는 응축수의 양이 감소되는 것을 특징으로 하는, 냉각 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 물탱크의 수위가 상기 물탱크 목표 수위 범위 이하인 경우,
    상기 라디에이터의 운전 압력을 증가시키는 단계;
    상기 공기 SR을 감소시키는 단계; 및
    상기 스택의 출력을 제한하는 단계
    중 적어도 하나의 단계를 더 수행하는, 냉각 제어 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 확인된 물탱크의 수위가 상기 물탱크 목표 수위 범위를 초과하는 경우, 상기 라디에이터의 운전 압력을 유지시키고 상기 공기 SR을 증가시키는 단계를 더 포함하는, 냉각 제어 방법.
  13. 연료인 수소와 산화제인 공기를 반응시켜 전력을 생산하는 스택이 구비된 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템 외부로 공기를 배출하는 제1 밸브;
    상기 스택의 캐소드에 공급되는 공기량을 제어하는 제2 밸브;
    상기 제2 밸브를 통해 주입된 공기의 압력을 제어하여 상기 스택에 공급하는 제1 압축기;
    상기 스택으로부터 배출된 공기의 압력을 제어하는 제2 압축기; 및
    상기 제2 압축기로부터 전달된 상기 배출 공기의 열을 방열하여 상기 스택에 공급될 응축수 및 상기 제1 밸브를 통해 배기될 공기를 생성하는 라디에이터
    를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 스택의 운전 압력은 상기 제2 밸브, 상기 제1 내지 제2 압축기 중 적어도 하나를 제어하여 조절되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 라디에이터에서 생성되는 응축수의 량은 상기 라디에이터의 운전 압력을 제어하여 조절되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 라디에이터의 운전 압력은 상기 제2 압축기 및 상기 제1 밸브 중 적어도 하나를 제어하여 조절되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 스택에 공급될 응축수를 저장하기 위한 물탱크를 더 포함하되, 상기 물탱크 수위가 소정 목표 수위 범위내로 유지되도록 상기 스택의 운전 압력, 상기 라디에이터의 운전 압력, 상기 캐소드에 공급되는 공기량에 대응되는 공기 SR 중 적어도 하나가 동적으로 제어되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 물탱크 수위가 상기 목표 수위 범위 이하인 경우, 상기 스택의 출력이 제한되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 스택의 요구 출력에 기반하여 동적으로 상기 스택 및 상기 라디에이터의 운전 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기에 의해 소모되는 전력이 최소화되고 상기 스택의 출력이 최대화되도록 상기 공기량, 상기 스택의 운전 압력, 상기 라디에이터의 운전 압력 중 적어도 하나가 동적으로 제어되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
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