KR101886515B1 - 연료전지 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지 시스템의 운전 중 고전위 회피 운전과 함께 스택의 성능 회복(recovery)이 가능하도록 한 연료전지 시스템 및 이의 제어 방법이 개시된다.
이를 위해, 본 발명은 서로 다른 공기흐름경로가 형성된 제1분리판과 제2분리판을 전극막 접합체를 사이에 두고 교번으로 적층시킨 연료전지 스택을 구비하고, 이 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템의 운전 중 고전위 회피 운전의 필요 여부를 판단하여, 고전위 회피 운전이 필요한 것으로 판정되면, 제1분리판 또는 제2분리판의 공기흐름경로에 공기를 선택적으로 공급함으로써, 연료전지 시스템의 고전위 회피 운전은 물론 연료전지 시스템의 운전 중 공기극의 성능 회복이 용이하게 이루어질 수 있도록 한 연료전지 시스템 및 이의 제어 방법을 제공한다.

Description

연료전지 시스템 및 이의 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 연료전지 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템의 운전 중 고전위 회피 운전과 함께 스택의 성능 회복(recovery)이 가능하도록 한 연료전지 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 연료전지 스택에 수소(연료)를 공급하는 수소공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템과, 수소 및 산소의 전기화학적 반응에 의거 전기를 생성하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택의 전기화학적 반응열을 제거하는 동시에 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.
상기 연료전지 스택은 연료전지 자동차의 주 에너지원인 전기를 생산하는 일종의 발전장치로서, 수십에서 수백개의 유니트 셀 단위가 적층되어 구성된다.
여기서, 연료전지 스택의 셀 단위 구성을 첨부한 도 1을 참조로 살펴보면 다음과 같다.
가장 안쪽 위치에는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(11)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 공기극(12, cathode) 및 연료극(13, anode)을 포함하는 전극막 접합체(10, Membrane-Electrode Assembly)가 위치된다.
또한, 상기 공기극(12) 및 연료극(13)의 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(16) 및 가스켓(Gasket)(18)이 차례로 적층되고, 가스확산층(16)의 바깥 쪽에는 각각 연료(수소)와 산화제(공기)가 흐르는 유로(Flow Field)와 냉각수가 흐르는 유로를 갖는 분리판(20)이 적층하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 고정시키기 위한 엔드 플레이트(End plate)가 결합된다.
따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극(13)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(10)과 분리판(20)을 통하여 공기극(12)극으로 이동하게 되어, 상기 공기극(12)에서 연료극(13)극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 최종 생성된 전기에너지는 엔드플레이트내에 연접된 집전판(30)을 통하여 전기에너지를 요구하는 부하로 공급된다.
한편, 상기 분리판(20)은 중앙 영역의 반응면적부(23)와 양측단부에 형성된 매니폴드로 구분된다.
상기 반응면적부(23)는 기체확산층(16)과 직접적으로 접촉되는 평평한 부분인 랜드(21, Land)와, 랜드부(21) 사이의 공간으로서 연료인 수소 또는 공기(산소)의 통로가 되는 채널(22, Channel)로 구성된다.
상기 매니폴드는 분리판의 일측단부에 형성되는 공급측 매니폴드와, 타측단부에 형성되는 배출측 매니폴드로 구분되는데, 공급측 매니폴드는 채널쪽으로 공기, 냉각수, 수소 등을 공급하기 위한 공기공급 매니폴드(24), 냉각수공급 매니폴드(25), 수소공급 매니폴드(26)로 구성되고, 배출측 매니폴드는 채널로부터의 공기, 냉각수, 수소 등을 배출시키기 위한 공기배출 매니폴드(27), 냉각수배출 매니폴드(28), 수소배출 매니폴드(29)로 구성된다.
위와 같이 구비되는 분리판(20)의 일면에 형성된 채널(22)을 통하여 공기가 흐르게 되고, 분리판의 타면에 형성된 채널(22)을 통하여 수소가 흐르게 된다.
예를 들어, 상기 분리판(20)의 일면에서의 공기 흐름은 도 2에서 보듯이, 공기공급 매니폴드(24)→ 반응면적부의 채널(22)→ 공기배출 매니폴드(27)의 순서로 흐르게 되고, 채널(22)을 흐를 때 수소와 함께 전기 생성을 위한 반응을 하게 된다.
또한, 상기 분리판의 타면에서의 수소 흐름은 수소공급 매니폴드(26)→ 반응면적부의 채널(22)→ 수소배출 매니폴드(29)의 순서로 흐르게 되고, 채널(22)을 흐를 때 공기(산소)와 함께 전기 생성을 위한 반응을 하게 된다.
상기한 연료전지 스택의 운전 중, 전극막 접합체를 구성하는 고분자 전해질막과 그 양편에 적층된 공기극 및 연료극 즉, 촉매층(Pt/C, Pt Supported on Carbon)에 열화가 발생하고, 이러한 열화 현상으로 인하여 일정시간 운전 후 연료전지 스택의 성능은 감소된다.
특히, 열화 현상 등으로 인하여 수 나노 입자 크기를 갖는 공기극(cathode)의 백금(Pt) 표면에 형성되는 산화 피막(Pt-Oxide, Pt-OH, Pt-O, Pt-O2 등)은 백금 표면으로의 반응 산소(O2)의 흡착을 방해하여, 공기극의 산소 환원 반응(ORR: Oxygen Reduction Reaction) 속도를 낮아지게 하고, 그에 따라 스택 성능의 저하를 초래하는 것으로 알려져 있다.
이에, 연료전지의 성능 회복(recovery) 방법으로서, 스택에 공급되는 공기를 차단하고, 스택으로부터 전류를 뽑은 다음, 공기극에 임의의 수소 펌핑(hydrogen pumping)을 함으로써, 공기극에 수소 분위기가 조성되어 공기극 촉매 산화물의 환원 효과를 얻을 수 있도록 한 방법이 적용되고 있으나, 수소 펌핑에 따른 수소소모량이 증가하여 비용이 많이 들고, 성능 회복을 위한 정비시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
또한, 상기 연료전지 스택으로부터 전류를 뽑아내어 스택의 운전 정지 상태에서 수소 펌핑이 진행됨으로써, 연료전지 스택의 운전 중(공기와 산소 간의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 중)에는 성능 회복 과정이 이루어질 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 서로 다른 공기흐름경로가 형성된 제1분리판과 제2분리판을 전극막 접합체를 사이에 두고 교번으로 적층시킨 연료전지 스택을 구비하고, 이 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템의 운전 중 고전위 회피 운전의 필요 여부를 판단하여, 고전위 회피 운전이 필요한 것으로 판정되면, 제1분리판 또는 제2분리판의 공기흐름경로에 공기를 선택적으로 공급함으로써, 연료전지 시스템의 고전위 회피 운전은 물론 연료전지 시스템의 운전 중 공기극의 성능 회복이 용이하게 이루어질 수 있도록 한 연료전지 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지 시스템은: 제1공기흐름경로가 형성된 제1분리판과, 제1공기흐름경로와 다른 제2공기흐름경로가 형성된 제2분리판을 전극막 접합체를 사이에 두고 교번으로 적층시킨 연료전지 스택; 상기 제1분리판의 제1공기흐름경로 입구 및 출구에 각각 연결되는 제1공기입구라인 및 제1공기출구라인; 상기 제2분리판의 제2공기흐름경로 입구 및 출구에 각각 연결되는 제2공기입구라인 및 제2공기출구라인; 상기 제1분리판의 제1공기입구라인 및 제2분리판의 제2공기입구라인에 연결되는 제1공기공급장치; 상기 제1공기입구라인에 장착되는 제1밸브; 상기 제2공기입구라인에 장착되는 제2밸브; 및 상기 제1공기공급장치를 구동 제어하고, 제1밸브 및 제2밸브를 개폐 제어하는 제어기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예에 따른 연료전지 시스템은: 제1공기흐름경로가 형성된 제1분리판과, 제1공기흐름경로와 다른 제2공기흐름경로가 형성된 제2분리판을 전극막 접합체를 사이에 두고 교번으로 적층시킨 연료전지 스택; 상기 제1분리판의 제1공기흐름경로 입구 및 출구에 각각 연결되는 제1공기입구라인 및 제1공기출구라인; 상기 제2분리판의 제2공기흐름경로 입구 및 출구에 각각 연결되는 제2공기입구라인 및 제2공기출구라인; 상기 제1분리판의 제1공기입구라인 및 제2분리판의 제2공기입구라인에 연결되는 제1공기공급장치; 상기 제1공기출구라인에 장착되는 제1밸브; 상기 제2공기출구라인에 장착되는 제2밸브; 및 상기 제1공기공급장치를 구동 제어하고, 제1밸브 및 제2밸브를 개폐 제어하는 제어기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 연료전지 시스템은: 제1공기흐름경로가 형성된 제1분리판과, 제1공기흐름경로와 다른 제2공기흐름경로가 형성된 제2분리판을 전극막 접합체를 사이에 두고 교번으로 적층시킨 연료전지 스택; 상기 제1분리판의 제1공기흐름경로 입구 및 출구에 각각 연결되는 제1공기입구라인 및 제1공기출구라인; 상기 제2분리판의 제2공기흐름경로 입구 및 출구에 각각 연결되는 제2공기입구라인 및 제2공기출구라인; 상기 제1공기입구라인에 연결되는 제1공기공급장치; 상기 제2공기입구라인에 연결되는 제2공기공급장치; 및 상기 제1공기공급장치 및 제2공기공급장치를 구동 제어하는 제어기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기한 연료전지 시스템의 각 구현예에서, 상기 제1분리판은 제1공기흐름경로로서 제1공기입구라인과 연결되는 제1공기입구 매니폴드와, 제1공기출구라인과 연결되는 제1공기출구 매니폴드와, 제1공기입구 매니폴드와 제1공기출구 매니폴드 간에 형성된 제1채널을 포함하고, 제2공기입구라인과 연결되는 제2공기입구 매니폴드와 제2공기출구라인과 연결되는 제2공기출구 매니폴드가 서로 차단된 상태로 더 형성된 것임을 특징으로 한다.
상기한 연료전지 시스템의 각 구현예에서, 상기 제2분리판은 제2공기흐름경로로서 제2공기입구라인과 연결되는 제2공기입구 매니폴드와, 제2공기출구라인과 연결되는 제2공기출구 매니폴드와, 제2공기입구 매니폴드와 제2공기출구 매니폴드 간에 형성된 제2채널을 포함하고, 제1공기입구라인과 연결되는 제1공기입구 매니폴드와 제1공기출구라인과 연결되는 제1공기출구 매니폴드가 서로 차단된 상태로 더 형성된 것임을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 시스템 제어 방법은: ⅰ) 제1공기흐름경로가 형성된 제1분리판과, 제1공기흐름경로와 다른 제2공기흐름경로가 형성된 제2분리판이 각 셀에서 전극막 접합체를 사이에 두고 교번으로 적층된 연료전지 스택을 구비하는 단계; ⅱ) 상기 연료전지 스택을 구성하는 각 셀 전압을 측정하여 고전위 회피운전의 필요 여부를 결정하는 단계; ⅲ) 고전위 회피운전이 필요한 것으로 결정되면, 상기 제1분리판의 제1공기흐름경로와 제2분리판의 제2공기흐름경로 중 하나에 공기 공급을 차단하는 단계; ⅳ) 상기 공기흐름경로에 공기 공급이 허용된 제1분리판 또는 제2분리판을 포함하는 셀에서 정상적인 전기 생성 반응이 이루어지는 단계; ⅴ) 상기 공기흐름경로에 공기 공급이 차단된 제1분리판 또는 제2분리판을 포함하는 셀에서 공기극에 대한 자체적인 수소 펌핑이 이루어지는 동시에 공기극에 대한 회복이 이루어지는 단계; 및 ⅵ) 상기 고전위 회피운전 해제 여부를 결정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 서로 다른 공기흐름경로가 형성된 제1분리판과 제2분리판을 전극막 접합체를 사이에 두고 교번으로 적층시킨 연료전지 스택을 구비하고, 연료전지 시스템의 운전 중 고전위 회피 운전이 필요한 것으로 판정되면, 제1분리판 또는 제2분리판의 공기흐름경로에 공기를 선택적으로 공급함으로써, 연료전지 시스템의 고전위 회피 운전이 가능하고, 고전위 운전시 공기극 촉매에 포함된 백금 산화에 산화 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
둘째, 제1분리판 또는 제2분리판의 공기흐름경로에 공기가 차단되는 동시에 공기가 차단된 분리판을 포함하는 특정 셀의 공기극(백금을 포함하는 공기극 촉매)에 자체적인 수소 펌핑이 이루어짐으로써, 공기극에 수소 분위기가 조성되어 공기극 촉매 산화물의 환원 효과를 얻을 수 있고, 그에 따라 공기극 성능 회복이 이루어질 수 있다.
도 1은 연료전지 스택의 셀 단위 구성 및 기존의 분리판 구조를 도시한 개략도,
도 2는 기존의 분리판에서 공기의 흐름 경로를 도시한 개략도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 적용되는 분리판 구조를 도시한 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 적용되는 스택의 외관 구조를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 구성도,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 구성도,
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 구성도,
도 8은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법을 도시한 순서도,
도 9는 연료전지의 단위 셀 전압 변화를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
도 9를 참조하면, 연료전지 스택은 단위 면적당 출력되는 전류가 많을수록 단위 셀의 전압은 내려가며, 차량의 부하가 연료전지에서 전류를 뽑아갈 때, 단위 셀 전압이 소정 전압 미만이면 연료전지에 큰 문제는 없다.
반면, 연료전지 차량의 부하가 뽑아가는 전류량이 줄어들 경우에는 연료전지의 단위 셀 전압은 그 만큼 상승하므로, 추가적으로 부하에서 연료전지로부터 전류를 뽑아서 사용하면 바람직하나, 많은 전기에너지의 여분이 발생하여 이를 저장하거나 소모하는 것도 쉬운 일은 아니다.
이에, 연료전지의 단위 셀의 전압을 소정 전압 미만으로 관리하는 것이 바람직하며, 그 이유는 부하에서 사용하는 전류량이 감소하면 연료전지의 단위 셀 전압이 필요 이상으로 증가하여, 여분의 전기에너지가 발생할 뿐만 아니라 공기극의 촉매층에 열화가 발생하여 연료전지 성능 저하를 초래하기 때문이다.
또한, 공기극의 촉매층(Pt/C, Pt Supported on Carbon)에 열화가 발생하면, 공기극의 백금(Pt) 표면에 산화 피막(Pt-Oxide, Pt-OH, Pt-O, Pt-O2 등)이 형성되어 백금 표면으로의 반응 산소(O2)의 흡착을 방해하고, 그에 따라 스택 성능의 저하를 초래한다.
따라서, 연료전지 시스템의 운전 중 연료전지의 단위 셀 전압을 소정 전압 미만으로 관리하는 것이 바람직하며, 부하에서 사용하는 전류량이 감소함에도 불구하고 연료전지의 단위 셀 전압이 필요 이상으로 증가하는 고전위 운전을 회피하는 것이 바람직하다.
위와 같은 점을 감안하여, 본 발명은 연료전지 시스템의 고전위 회피 운전이 가능하고, 고전위 운전시 공기극에 수소 분위기를 조성하여 공기극의 성능 회복이 이루어질 수 있도록 연료전지 스택에 적용되는 분리판이 서로 다른 공기흐름경로를 갖는 제1분리판과 제2분리판으로 구성된다.
첨부한 도 3a및 도 3b는 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 적용되는 분리판 구조를 도시한 개략도이고, 도 4는 도 3a 및 도 3b의 분리판을 포함하는 연료전지 스택의 외관 구조를 나타낸다.
도 3a,3b 및 도 4에서 보듯이, 제1공기흐름경로(114)가 형성된 제1분리판(110)과, 제1공기흐름경로(114)와 다른 제2공기흐름경로(124)가 형성된 제2분리판(120)을 전극막 접합체(미도시됨)를 사이에 두고 교번으로 적층시킨 연료전지 스택(100)이 구비된다.
이때, 상기 전극막 접합체는 전술한 바와 같이 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 도포된 촉매층인 공기극(cathode) 및 연료극(anode)과, 공기극 및 연료극의 바깥 부분에 적층되는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)을 포함하여 구성되고, 이러한 전극막 접합체를 사이에 두고 상기 제1분리판(110) 및 제2분리판(120)이 교번으로 적층된다.
참고로, 상기 연료전지 스택(100)에서 제1분리판(110)을 포함하는 셀들을 제1스택으로 지칭할 수 있고, 제2분리판(120)을 포함하는 셀들을 제2스택으로 지칭할 수 있다.
도 1에서 보듯이, 상기 제1분리판(110)은 제1공기흐름경로(114)로서 제1공기입구라인(131)과 연결되는 제1공기입구 매니폴드(111)와, 제1공기출구라인(133)과 연결되는 제1공기출구 매니폴드(112)와, 제1공기입구 매니폴드(111)와 제1공기출구 매니폴드(112) 간에 형성된 제1채널(113)이 서로 연통 가능하게 형성된다.
또한, 상기 제1분리판(110)에는 제2공기입구라인(132)과 연결되는 제2공기입구 매니폴드(121)와, 제2공기출구라인(134)과 연결되는 제2공기출구 매니폴드(122)가 더 형성되는데, 이 제2공기입구 매니폴드(121)와 제2공기출구 매니폴드(122)는 인접한 분리판의 매니폴드로 공기를 전달하는 역할을 할 뿐, 채널에 의하여 서로 연통되지 않아 서로 차단된 상태로 형성된다.
도 1에서 보듯이, 상기 제2분리판(120)은 제2공기흐름경로(124)로서 제2공기입구라인(132)과 연결되는 제2공기입구 매니폴드(121)와, 제2공기출구라인(134)과 연결되는 제2공기출구 매니폴드(122)와, 제2공기입구 매니폴드(121)와 제2공기출구 매니폴드(122) 간에 형성된 제2채널(123)이 서로 연통 가능하게 형성된다.
또한, 상기 제2분리판(120)에는 제1공기입구라인(131)과 연결되는 제1공기입구 매니폴드(111)와 제1공기출구라인(133)과 연결되는 제1공기출구 매니폴드(112)가 더 형성되는데, 이 제1공기입구 매니폴드(111)와 제1공기출구 매니폴드(112)는 인접한 분리판의 매니폴드로 공기를 전달하는 역할을 할 뿐, 채널에 의하여 서로 연통되지 않아 서로 차단된 상태가 된다.
물론, 상기한 제1분리판(110) 및 제2분리판(120)에는 수소공급 매니폴드(141) 및 수소배출 매니폴드(142)를 포함하는 수소흐름경로와 냉각수 공급 매니폴드(151) 및 냉각수 배출 매니폴드(152)를 포함하는 냉각수 흐름경로가 기존과 동일한 구조로 형성된다.
여기서, 상기한 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템 및 그 작동 과정에 대한 각 실시예를 설명하면 다음과 같다.
제1실시예
첨부한 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 구성도이고, 도 8은 연료전지 시스템의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 5에서, 도면부호 100은 상기와 같이 제1공기흐름경로(114)가 형성된 제1분리판(110)과, 제1공기흐름경로(114)와 다른 제2공기흐름경로(124)가 형성된 제2분리판(120)이 전극막 접합체(미도시됨)를 사이에 두고 교번으로 적층된 연료전지 스택을 지시한다.
상기 연료전지 스택(100)에 포함된 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로 입구 및 출구에 각각 제1공기입구라인(131) 및 제1공기출구라인(133)이 연결된다.
즉, 상기 제1분리판(110)의 제1공기입구 매니폴드(111) 및 제1공기출구 매니폴드(112)에 각각 제1공기입구라인(131) 및 제1공기출구라인(133)이 연통 가능하게 연결된다.
또한, 상기 연료전지 스택(100)에 포함된 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로 입구 및 출구에 각각 제2공기입구라인(132) 및 제2공기출구라인(134)이 연결된다.
즉, 상기 제2분리판(120)의 제2공기입구 매니폴드(121) 및 제2공기출구 매니폴드(122)에 각각 제2공기입구라인(132) 및 제2공기출구라인(134)이 연통 가능하게 연결된다.
이때, 상기 제1분리판(110)의 제1공기입구 매니폴드(111)에 연결되는 제1공기입구라인(131)과, 상기 제2분리판(120)의 제2공기입구 매니폴드(121)에 연결되는 제2공기입구라인(132)에는 에어컴프레서 또는 에어블로워와 같은 제1공기공급장치(161)가 연결된다.
특히, 상기 제1공기입구라인(131)에는 제1밸브(171)가 개폐 가능하게 장착되고, 상기 제2공기입구라인(131)에는 제2밸브(172)가 개폐 가능하게 장착된다.
바람직하게는, 상기 제1공기공급장치(161)의 구동 제어를 비롯하여 제1밸브(171) 및 제2밸브(172)의 개폐 제어는 제어기(180)에 의하여 이루어진다.
여기서, 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 시스템에 대한 작동 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상기 연료전지 스택을 구성하는 각 셀 전압을 전압측정센서(미도시됨)에서 측정하여 제어기(180)에 전송하면, 제어기(180)에서 고전위 회피운전의 필요 여부를 결정한다.
예를 들어, 상기 제어기(180)에서 연료전지 시스템의 운전 중(연료전지 차량의 주행 중) 연료전지 출력요구량에 따른 각 셀의 평균전압을 계산하고(S101), 상기 평균전압이 임계수준 이상이면 고전위 회피운전이 필요한 것으로 결정한다(S102).
다음으로, 고전위 회피운전이 필요한 것으로 결정되면, 상기 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(114)와 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로(124) 중 하나에 공기 공급을 차단하는 제어가 이루어진다.
예를 들어, 상기 제어기(180)에서 제1공기입구라인(131)에 장착된 제1밸브(171)를 열림 제어하고, 제2공기입구라인(132)에 장착된 제2밸브(172)를 닫힘 제어한다.
따라서, 상기 제1공기입구라인(131)에 연결된 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(114) 즉, 제1분리판(110)의 제1공기입구 매니폴드(111)와 제1채널(113)과 제1공기출구 매니폴드(112)의 순으로 제1공기공급장치(161)로부터의 공기가 흐르게 된다.
반면, 상기 제2공기입구라인(131)에 장착된 제2밸브(172)가 닫힘 상태이므로, 제2공기입구라인(132)과 연결된 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로(124)에는 제1공기공급장치(161)로부터의 공기가 흐르지 않게 된다.
만일, 상기 제어기(180)에서 제1공기입구라인(131)에 장착된 제1밸브(171)를 닫힘 제어하고, 제2공기입구라인(132)에 장착된 제2밸브(172)를 열림 제어하면, 상기 제1공기입구라인(131)에 연결된 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(114)에는 공기 흐름이 차단되고, 반면 제2공기입구라인(132)과 연결된 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로(124) 즉, 제2분리판(120)의 제2공기입구 매니폴드(121)과 제2채널(123)과 제2공기출구 매니폴드(122)의 순으로 제1공기공급장치(161)로부터의 공기가 흐르게 된다.
이때, 상기 제1 및 제2밸브(171, 172)의 차단 전/후에도 연료전지의 출력전류는 변하지 않으면, 제1공기공급장치(161)인 에어 컴프레서가 연료전지에 공급하는 공기의 양 또한 변하지 않게 되는다.
또한, 상기 제2밸브(172) 차단으로 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(114)로만 공기가 공급되거나, 제1밸브(171)의 차단으로 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로(124)에만 공기가 공급되면, 스택 입구를 통과하는 공기의 압력은 다소 늘어날 수 있지만, 이를 해소하고자 제어기(180)에서 제2밸브(172)의 차단 전/후에 동일한 공기 양이 연료전지에 공급될 수 있도록 에어 컴프레서에 대한 작동 단수 보정 제어를 실시할 수 있다.
이에, 상기 제1공기입구라인(131)에 연결된 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(114)에만 공기가 흐르게 됨으로써, 공기 공급이 허용된 제1분리판(110)을 포함하는 셀에서만 발전(정상적인 전기 생성을 위한 반응)을 하게 되고, 반면 제2공기입구라인(132)과 연결된 제2분리판(120)의 제1공기흐름경로(124)에는 공기가 차단됨으로써, 제2분리판(120)을 포함하는 셀에서는 발전이 이루어지지 않게 된다.
이와 같이, 고전위 회피 운전이 필요한 경우(연료전지의 발전 요구량이 적을 경우), 연료전지 스택에 공기를 공급하는 배관인 제1공기입구라인(131) 또는 제2공기입구라인(132)를 선택적으로 개폐하여, 공기가 공급되는 분리판을 포함하는 셀은 발전(전기 생성을 위한 반응)을 하고, 공기가 차단된 분리판을 포함하는 셀은 발전이 차단되도록 함으로써, 결국 연료전지 스택의 전체 셀 중 절반의 셀만이 발전(전기화학적 반응)을 하여 단위 셀의 전압을 전압을 내릴 수 있는 고전위 회피 운전이 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(114) 또는 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로(124)에 공기가 차단되면, 공기가 차단된 분리판을 포함하는 특정 셀의 공기극(백금을 포함하는 공기극 촉매)에 자체적인 수소 펌핑이 이루어짐으로써, 공기극에 수소 분위기가 조성되어 공기극 촉매 산화물의 환원 효과를 얻을 수 있고, 그에 따라 공기극 성능 회복이 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(114)에 공기가 공급되고, 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로(124)에 공기가 차단되면, 제2분리판(120)을 포함하는 셀에서 자체적인 수소 펌핑(hydrogen pumping)이 발생한다.
보다 상세하게는, 외부 부하가 연료전지에서 전기를 뽑아갈 때, 연료전지의 각 셀에서 전자가 바로 옆 셀로 이동하여 모든 셀에서 전기화학반응이 정상적으로 일어나야 하는데, 상기 제2분리판(120)을 포함하는 셀에서는 공기가 공급되지 않아 전기화학반응이 일어나지 않게 되고, 동시에 전극막 접합체(MEA)를 통해 넘어온 H+이온과 옆 셀에서 넘어온 전자가 만나서 다시 수소가 만들어지는 수소 펌핑 (hydrogen pumping)이 발생된다.
이러한 수소 펌핑으로 인하여, 공기극에 수소 분위기가 조성되어 공기극 촉매 산화물의 환원 효과를 얻을 수 있고, 그에 따라 공기극 촉매의 성능 회복이 이루어질 수 있다.
이와 같이, 연료전지 스택의 전체 셀 중 절반은 공기 공급에 의거 발전을 하고, 절반은 공기 차단과 수소 펌핑에 의하여 회복이 되도록 함으로써, 스택 전체 전압이 0V가 아니기 때문에 외부 부하가 자연스럽게 전기를 뽑아갈 수 있고, 스택의 성능 회복(공기극 촉매의 성능 회복)이 용이하게 이루어질 수 있다.
한편, 상기 제1분리판(110) 또는 제2분리판(120)에 공기 공급을 차단하는 제어는 스택의 회복 시간 및 누적시간에 따라 선택적으로 결정할 수 있다.
예를 들어, 제1분리판(110)을 포함하는 셀들(제1스택)의 전체 회복시간과 제2분리판(120)을 포함하는 셀들(제2스택)의 전체 회복시간을 비교한 후(S103), 제1분리판(110)을 포함하는 셀들(제1스택)의 회복 누적시간이 제2분리판(120)을 포함하는 셀들(제2스택)의 회복 누적시간에 비하여 크면, 제2분리판(120)에 공기 공급을 차단하여 제2분리판(120)과 접한 셀들의 회복이 이루어지도록 한다(S104~S105).
반대로, 제1분리판(110)을 포함하는 셀들(제1스택)의 회복 누적시간이 제2분리판(120)을 포함하는 셀들(제2스택)의 회복 누적시간에 비하여 작으면, 제1분리판(110)에 공기 공급을 차단하여 제1분리판(110)과 접한 셀들의 회복이 이루어지도록 한다(S106~S107).
이때, 제1분리판을 포함하는 셀들(제1스택)과, 제2분리판을 포함하는 셀들(제2스택) 간의 전체 회복시간을 비교하고, 회복 누적시간을 비교하는 단계에 있어서, 회복시간은 스택에 대한 공기를 차단하고 스택을 운전한 시간 즉, 공기를 차단한 시점부터 다시 공기를 공급한 시점까지를 말한다.
또한, 상기 회복시간을 스택에 공급되는 공기의 압력으로 파악할 수 있으며, 예를 들어, 스택에 공기를 차단한 후, 스택 내부의 공기 압력이 소정의 압력 밑으로 내려가면 차단시간 시작이고, 공기 공급을 재개한 후 스택 내부의 공기 압력이 소정 압력을 초과하면 차단시간 종료이며, 차단시간 시작부터 차단시간 종료를 회복시간으로 정할 수 있다.
다음으로, 상기 고전위 회피운전 중 고전위 회피운전 해제 여부를 결정한 후(S108~S111), 고전위 회피운전을 종료한다(S112~S114).
예를 들어, 상기 제어기(180)에서 고전위 회피 운전 중 연료전지 출력요구량에 따른 각 셀의 평균전압을 계산하고, 계산된 평균전압이 임계수준 미만이면 고전위 회피운전 해제를 결정한 다음, 제1분리판을 포함하는 셀들 또는 제2분리판을 포함하는 셀들의 회복 누적시간을 업데이트한 후, 고전위 회피운전을 종료한다.
이렇게 고전위 회피운전이 해제되면, 공기 공급이 차단된 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(114) 또는 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로(124)에 다시 공기 공급이 재개된다.
한편, 고전위 운전이 필요한 경우, 상기 제어기(180)에서 제1밸브(171) 및 제2밸브(172)를 모두 열림 제어하여, 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(114) 및 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로(124)에 모두 제1공기공급장치로부터의 공기가 공급되도록 함으로써, 제1분리판 및 제2분리판을 포함하는 연료전지 스택의 전체 셀에서 발전을 하도록 한다.
제2실시예
첨부한 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 구성도이다.
본 발명의 제2실시예는 도 6에서 보듯이, 제1밸브(171) 및 제2밸브(172)의 장착 위치만 다를 뿐 제1실시예와 동일하게 구성된다.
상기 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로 출구에 연결된 제1공기출구라인(133)과, 상기 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로 출구에 연결된 제2공기출구라인(134)에 각각 제1밸브(171) 및 제2밸브(172)가 장착된다.
따라서, 고전위 회피운전이 필요한 경우, 상기 제어기(180)에서 제1공기출구라인(133)에 장착된 제1밸브(171) 또는 제2공기출구라인(134)에 장착된 제2밸브(172)를 선택적으로 닫힘 제어하여, 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(114)와 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로(124) 중 하나에 공기 공급이 차단될 수 있다.
이에, 상기한 제1실시예와 마찬가지로, 공기가 공급되는 분리판을 포함하는 셀들은 발전(전기 생성을 위한 반응)을 하고, 공기가 차단된 분리판을 포함하는 셀들은 발전이 차단되도록 함으로써, 결국 연료전지 스택의 전체 셀 중 절반의 셀만이 발전(전기화학적 반응)을 하여 단위 셀의 전압을 전압을 내릴 수 있는 고전위 회피 운전이 이루어질 수 있다.
또한, 상기한 제1실시예와 마찬가지로, 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(114) 또는 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로(124)에 공기가 차단되면, 공기가 차단된 분리판과 접한 특정 셀의 공기극(백금을 포함하는 공기극 촉매)에 자체적인 수소 펌핑이 이루어짐으로써, 공기극에 수소 분위기가 조성되어 공기극 촉매 산화물의 환원 효과를 얻을 수 있고, 그에 따라 공기극 성능 회복이 이루어질 수 있다.
한편, 고전위 운전이 필요한 경우, 상기 제어기(180)에서 제1밸브(171) 및 제2밸브(172)를 모두 열림 제어하여, 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(114) 및 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로(124)에 모두 제1공기공급장치로부터의 공기가 공급되도록 함으로써, 제1분리판 및 제2분리판을 포함하는 연료전지 스택의 전체 셀에서 발전을 하도록 한다.
제3실시예
첨부한 도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 구성도이다.
본 발명의 제3실시예는 도 7에서 보듯이, 제1밸브(171) 및 제2밸브(172)를 배제하고, 상기 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(113) 또는 상기 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로(124)에 선택적으로 공기를 공급하고자, 에어 컴프레서 또는 공기블로워와 같은 공기공급장치를 제1공기공급장치(161)와 제2공기공급장치(162)로 채택한 점에 특징이 있다.
즉, 상기 제1공기입구라인(131)에 제1공기공급장치(161)를 연결하고, 상기 제2공기입구라인(132)에 제2공기공급장치(162)가 연결된다.
따라서, 고전위 회피운전이 필요한 경우, 상기 제어기(180)에서 제1공기공급장치(161) 또는 제2공기공급장치(162)를 선택적으로 구동 제어하여, 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(114)와 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로(124) 중 하나에만 공기가 공급되고, 나머지 하나에는 공기 공급이 차단될 수 있다.
이에, 상기한 제1실시예와 마찬가지로, 공기가 공급되는 분리판을 포함하는 셀들은 발전(전기 생성을 위한 반응)을 하고, 공기가 차단된 분리판을 포함하는 셀들은 발전이 차단되도록 함으로써, 결국 연료전지 스택의 전체 셀 중 절반의 셀만이 발전(전기화학적 반응)을 하여 단위 셀의 전압을 전압을 내릴 수 있는 고전위 회피 운전이 이루어질 수 있다.
또한, 상기한 제1실시예와 마찬가지로, 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(114) 또는 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로(124)에 공기가 차단되면, 공기가 차단된 분리판과 접한 특정 셀의 공기극(백금을 포함하는 공기극 촉매)에 자체적인 수소 펌핑이 이루어짐으로써, 공기극에 수소 분위기가 조성되어 공기극 촉매 산화물의 환원 효과를 얻을 수 있고, 그에 따라 공기극 성능 회복이 이루어질 수 있다.
한편, 고전위 운전이 필요한 경우, 상기 제어기(180)에서 제1밸브(171) 및 제2밸브(172)를 모두 열림 제어하여, 제1분리판(110)의 제1공기흐름경로(114) 및 제2분리판(120)의 제2공기흐름경로(124)에 모두 제1공기공급장치로부터의 공기가 공급되도록 함으로써, 제1분리판 및 제2분리판을 포함하는 연료전지 스택의 전체 셀에서 발전을 하도록 한다.
100 : 연료전지 스택
110 : 제1분리판
111 : 제1공기입구 매니폴드
112 : 제1공기출구 매니폴드
113 : 제1채널
114 : 제1공기흐름경로
120 : 제2분리판
121 : 제2공기입구 매니폴드
122 : 제2공기출구 매니폴드
123 : 제2채널
124 : 제2공기흐름경로
131 : 제1공기입구라인
132 : 제2공기입구라인
133 : 제1공기출구라인
134 : 제2공기출구라인
141 : 수소공급 매니폴드
142 : 수소배출 매니폴드
151 : 냉각수 공급 매니폴드
152 : 냉각수 배출 매니폴드
161 : 제1공기공급장치
162 : 제2공기공급장치
171 : 제1밸브
172 : 제2밸브
180 : 제어기

Claims (23)

  1. 제1공기흐름경로가 형성된 제1분리판과, 제1공기흐름경로와 다른 제2공기흐름경로가 형성된 제2분리판을 전극막 접합체를 사이에 두고 교번으로 적층시킨 연료전지 스택;
    상기 제1분리판의 제1공기흐름경로 입구 및 출구에 각각 연결되는 제1공기입구라인 및 제1공기출구라인;
    상기 제2분리판의 제2공기흐름경로 입구 및 출구에 각각 연결되는 제2공기입구라인 및 제2공기출구라인;
    상기 제1분리판의 제1공기입구라인 및 제2분리판의 제2공기입구라인에 연결되는 제1공기공급장치;
    상기 제1공기입구라인에 장착되는 제1밸브;
    상기 제2공기입구라인에 장착되는 제2밸브; 및
    상기 제1공기공급장치를 구동 제어하고, 제1밸브 및 제2밸브를 개폐 제어하는 제어기;
    를 포함하여 구성되고,
    고전위 회피운전이 필요한 경우, 상기 제어기에서 제1밸브 또는 제2밸브를 선택적으로 닫힘 제어하여, 제1분리판의 제1공기흐름경로와 제2분리판의 제2공기흐름경로 중 하나에 공기 공급이 차단되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1분리판은 제1공기흐름경로로서 제1공기입구라인과 연결되는 제1공기입구 매니폴드와, 제1공기출구라인과 연결되는 제1공기출구 매니폴드와, 제1공기입구 매니폴드와 제1공기출구 매니폴드 간에 형성된 제1채널을 포함하고, 제2공기입구라인과 연결되는 제2공기입구 매니폴드와 제2공기출구라인과 연결되는 제2공기출구 매니폴드가 서로 차단된 상태로 더 형성된 것임을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2분리판은 제2공기흐름경로로서 제2공기입구라인과 연결되는 제2공기입구 매니폴드와, 제2공기출구라인과 연결되는 제2공기출구 매니폴드와, 제2공기입구 매니폴드와 제2공기출구 매니폴드 간에 형성된 제2채널을 포함하고, 제1공기입구라인과 연결되는 제1공기입구 매니폴드와 제1공기출구라인과 연결되는 제1공기출구 매니폴드가 서로 차단된 상태로 더 형성된 것임을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1분리판의 제1공기흐름경로 또는 제2분리판의 제2공기흐름경로에 공기가 차단되면, 공기가 차단된 분리판을 포함하는 셀의 공기극에서 자체적인 수소 펌핑이 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    고전위 운전이 필요한 경우, 상기 제어기에서 제1밸브 및 제2밸브를 모두 열림 제어하여, 제1분리판의 제1공기흐름경로 및 제2분리판의 제2공기흐름경로에 모두 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제1공기흐름경로가 형성된 제1분리판과, 제1공기흐름경로와 다른 제2공기흐름경로가 형성된 제2분리판을 전극막 접합체를 사이에 두고 교번으로 적층시킨 연료전지 스택;
    상기 제1분리판의 제1공기흐름경로 입구 및 출구에 각각 연결되는 제1공기입구라인 및 제1공기출구라인;
    상기 제2분리판의 제2공기흐름경로 입구 및 출구에 각각 연결되는 제2공기입구라인 및 제2공기출구라인;
    상기 제1분리판의 제1공기입구라인 및 제2분리판의 제2공기입구라인에 연결되는 제1공기공급장치;
    상기 제1공기출구라인에 장착되는 제1밸브;
    상기 제2공기출구라인에 장착되는 제2밸브; 및
    상기 제1공기공급장치를 구동 제어하고, 제1밸브 및 제2밸브를 개폐 제어하는 제어기;
    를 포함하여 구성되고,
    고전위 회피운전이 필요한 경우, 상기 제어기에서 제1밸브 또는 제2밸브를 선택적으로 닫힘 제어하여, 제1분리판의 제1공기흐름경로와 제2분리판의 제2공기흐름경로 중 하나에 공기 공급이 차단되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1분리판은 제1공기흐름경로로서 제1공기입구라인과 연결되는 제1공기입구 매니폴드와, 제1공기출구라인과 연결되는 제1공기출구 매니폴드와, 제1공기입구 매니폴드와 제1공기출구 매니폴드 간에 형성된 제1채널을 포함하고, 제2공기입구라인과 연결되는 제2공기입구 매니폴드와 제2공기출구라인과 연결되는 제2공기출구 매니폴드가 서로 차단된 상태로 더 형성된 것임을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2분리판은 제2공기흐름경로로서 제2공기입구라인과 연결되는 제2공기입구 매니폴드와, 제2공기출구라인과 연결되는 제2공기출구 매니폴드와, 제2공기입구 매니폴드와 제2공기출구 매니폴드 간에 형성된 제2채널을 포함하고, 제1공기입구라인과 연결되는 제1공기입구 매니폴드와 제1공기출구라인과 연결되는 제1공기출구 매니폴드가 서로 차단된 상태로 더 형성된 것임을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 삭제
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1분리판의 제1공기흐름경로 또는 제2분리판의 제2공기흐름경로에 공기가 차단되면, 공기가 차단된 분리판을 포함하는 셀의 공기극에서 자체적인 수소 펌핑이 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 청구항 7에 있어서,
    고전위 운전이 필요한 경우, 상기 제어기에서 제1밸브 및 제2밸브를 모두 열림 제어하여, 제1분리판의 제1공기흐름경로 및 제2분리판의 제2공기흐름경로에 모두 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제1공기흐름경로가 형성된 제1분리판과, 제1공기흐름경로와 다른 제2공기흐름경로가 형성된 제2분리판을 전극막 접합체를 사이에 두고 교번으로 적층시킨 연료전지 스택;
    상기 제1분리판의 제1공기흐름경로 입구 및 출구에 각각 연결되는 제1공기입구라인 및 제1공기출구라인;
    상기 제2분리판의 제2공기흐름경로 입구 및 출구에 각각 연결되는 제2공기입구라인 및 제2공기출구라인;
    상기 제1공기입구라인에 연결되는 제1공기공급장치;
    상기 제2공기입구라인에 연결되는 제2공기공급장치; 및
    상기 제1공기공급장치 및 제2공기공급장치를 구동 제어하는 제어기;
    를 포함하여 구성되고,
    고전위 회피운전이 필요한 경우, 상기 제어기에서 제1공기공급장치 또는 제2공기공급장치를 선택적으로 구동 제어하여, 제1분리판의 제1공기흐름경로와 제2분리판의 제2공기흐름경로 중 하나에 공기 공급이 차단되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1분리판은 제1공기흐름경로로서 제1공기입구라인과 연결되는 제1공기입구 매니폴드와, 제1공기출구라인과 연결되는 제1공기출구 매니폴드와, 제1공기입구 매니폴드와 제1공기출구 매니폴드 간에 형성된 제1채널을 포함하고, 제2공기입구라인과 연결되는 제2공기입구 매니폴드와 제2공기출구라인과 연결되는 제2공기출구 매니폴드가 서로 차단된 상태로 더 형성된 것임을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 제2분리판은 제2공기흐름경로로서 제2공기입구라인과 연결되는 제2공기입구 매니폴드와, 제2공기출구라인과 연결되는 제2공기출구 매니폴드와, 제2공기입구 매니폴드와 제2공기출구 매니폴드 간에 형성된 제2채널을 포함하고, 제1공기입구라인과 연결되는 제1공기입구 매니폴드와 제1공기출구라인과 연결되는 제1공기출구 매니폴드가 서로 차단된 상태로 더 형성된 것임을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  16. 삭제
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1분리판의 제1공기흐름경로 또는 제2분리판의 제2공기흐름경로에 공기가 차단되면, 공기가 차단된 분리판을 포함하는 셀의 공기극에서 자체적인 수소 펌핑이 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  18. 청구항 13에 있어서,
    고전위 운전이 필요한 경우, 상기 제어기에서 제1공기공급장치 또는 제2공기공급장치를 모두 구동시키는 제어를 하여, 제1분리판의 제1공기흐름경로 및 제2분리판의 제2공기흐름경로에 모두 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  19. ⅰ) 제1공기흐름경로가 형성된 제1분리판과, 제1공기흐름경로와 다른 제2공기흐름경로가 형성된 제2분리판이 각 셀에서 전극막 접합체를 사이에 두고 교번으로 적층된 연료전지 스택을 구비하는 단계;
    ⅱ) 상기 연료전지 스택을 구성하는 각 셀 전압을 측정하여 고전위 회피운전의 필요 여부를 결정하는 단계;
    ⅲ) 고전위 회피운전이 필요한 것으로 결정되면, 상기 제1분리판의 제1공기흐름경로와 제2분리판의 제2공기흐름경로 중 하나에 공기 공급을 차단하는 단계;
    ⅳ) 상기 공기흐름경로에 공기 공급이 허용된 제1분리판 또는 제2분리판을 포함하는 셀에서 정상적인 전기 생성 반응이 이루어지는 단계;
    ⅴ) 상기 공기흐름경로에 공기 공급이 차단된 제1분리판 또는 제2분리판을 포함하는 셀에서 공기극에 대한 자체적인 수소 펌핑이 이루어지는 동시에 공기극에 대한 회복이 이루어지는 단계;
    ⅵ) 상기 고전위 회피운전 해제 여부를 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 ⅱ) 단계에서,
    연료전지 시스템의 운전 중 연료전지 출력요구량에 따른 각 셀의 평균전압을 계산하고, 상기 평균전압이 임계수준 이상이면 고전위 회피운전이 필요한 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 ⅵ) 단계에서,
    상기 ⅱ)-ⅴ) 단계 이후, 연료전지 출력요구량에 따른 각 셀의 평균전압을 계산하고, 상기 평균전압이 임계수준 미만이면 고전위 회피운전을 해제하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 고전위 회피운전이 해제되면, 공기 공급이 차단된 제1공기흐름경로 또는 제2공기흐름경로에 다시 공기 공급이 재개되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.
  23. 청구항 19에 있어서,
    상기 고전위 운전이 필요한 것으로 결정되면, 제1분리판의 제1공기흐름경로 및 제2분리판의 제2공기흐름경로에 모두 공기를 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.
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