KR20070110542A - 공냉식연료전지시스템 - Google Patents

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KR20070110542A
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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

공냉식연료전지시스템(10)에 있어서, 제어장치(100)는 온도센서(500)에 의해 검출되는 연료전지의 온도를 토대로 온도제어공정을 수행한다. 이 때, 전지의 온도가 목표 온도(Ta)보다 높고, 상기 전지의 온도가 (i) 전지 전압의 변화량이 발전용 공기의 화학양론비에 비해 작은 온도 그룹(TG1)과 (ii) 상기 전지 전압의 변화량이 상기 발전용 공기의 화학양론비에 비해 큰 온도 그룹(TG2) 사이의 경계를 한정하기 위한 임계 온도(Tth)보다 낮다면, 상기 제어장치(100)는 흡기매니폴드(320)로 공급되는 공기량을 증가시키기 위해 공기공급장치(210)를 제어한다. 상기 전지의 온도가 임계 온도(Tth) 이상이면, 상기 제어장치(100)는 가변밸브(400)를 제어하여, 발전용공기채널부(314) 안으로 유동하는 공기량을 증가시키지 않고도, 냉각용공기채널부(315) 안으로 유동하는 공기량을 증가시키게 된다.

Description

공냉식연료전지시스템{AIR-COOLED FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 발전 및 냉각용 산화제가스를 이용하는 공냉식연료전지가 제공된 공냉식(즉, 공기냉각식 또는 기냉식)연료전지시스템에 관한 것이다.
이러한 타입의 공냉식연료전지시스템으로서, 전지 회생용으로 사용되는 공기와 냉각용으로 사용되는 공기가 공통의 공기공급루트로 공급되는 시스템이 제안되어 있다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1에 개시된 공냉식연료전지에 따르면(이하, "종래 기술"이라고 함), 송풍기에 의해 송풍되는 공기의 부피를 제어하여, 연료 전지의 온도를 소정의 설정값으로 되돌리거나 신속하게 회복시키는 것이 가능하다.
또한, 상기 연료 전지 내의 냉각용으로 사용되는 공기의 한 부분이 발전용 공기로 사용되는 또다른 기술도 제안되어 있다(특허 문헌 2 참조).
더욱이, 연료 전지에 있어서는, 반응용 공기와 냉각용 공기가 화학양론비로 송풍되는 또다른 기술도 제안되어 있다(특허 문헌 3 참조).
[특허 문헌 1] 일본심사특허출원공보(Kokoku) 제Hei-6-101347호
[특허 문헌 2] 일본특허출원공개 제Sho-63-276878호
[특허 문헌 3] PCT 국제출원 제2003-529195호의 공포된 일문 번역문
일부 연료전지에서는, 너무 높은 온도에 도달하면, 산화제가스의 공급이 증가함에 따라 발전량이 감소한다. 종래 기술에서는, 냉각용 공기량이 증가하는 경우, 발전용 공기량 또한 증가한다. 따라서, 결국에는 연료 전지가 송풍기에 의해 송풍되는 공기의 부피를 제어하여 냉각되는 경우, 이러한 연료 전지의 냉각이 상기 연료 전지의 출력을 감소시킬 수도 있다. 다시 말해, 종래 기술은 출력을 감소시키지 않으면서 공냉식연료전지를 냉각시키기가 어렵다는 이러한 기술적인 문제를 가지고 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 출력 저하가 없이, 또는 출력을 덜 저하시키면서도, 공냉식연료전지를 냉각시킬 수 있는 공냉식연료전지시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적은, 냉각용 산화제가스를 유동시키기 위한 제1채널부와 발전용 산화제가스를 유동시키기 위한 제2채널부가 형성되어, 상기 냉각용 산화제가스와 상기 발전용 산화제가스 양자 모두가 동일한 측면으로부터 유동되도록 하는 셀을 구비한 공냉식 연료전지; 산화제가스를 공급하기 위한 공급장치; 및 상기 냉각용 산화제가스 및 상기 발전용 산화제가스로서, 상기 제1채널부와 상기 제2채널부 안으로 공급되는 산화제가스를 변경가능한 분배비로 분배하기 위한 분배장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 공냉식연료전지시스템에 의해 성취될 수 있다.
본 발명의 "공냉식연료전지"는, 전해질멤브레인이 사이에 끼워진 애노드 전극과 캐소드 전극에서 발생하는 전기화학반응에 의해 기전력 또는 전력이 얻어지는 일 실시형태의 연료셀 또는 연료전지를 포함하는 개념이다. 특히, 산화제가스가 냉각용으로 사용되는 일 실시형태를 가리킨다. 예를 들어, 폴리머전해질연료전지 또는 양성자(proton)-교환멤브레인연료전지(즉, PEM 또는 PEFC)를 가리킨다.
본 발명의 공냉식연료전지시스템에 따르면, 산화제가스가 공급장치에 의해 공급된다. 본 발명의 "산화제가스"는 예컨대 애노드 전극으로 공급되는 연료 가스에 포함된 연료(예컨대, 수소)와의 전기화학반응에 기인하여 기전력을 발생시킬 수 있는 산소를 포함하는 가스이다. 통상적으로, 산화제가스는 공기이다. 만일 산화제가스가 공기라면, 특별한 공급원을 제공할 필요가 없으므로 효율적이지만, 상기 산화제가스가 공기로 국한되는 것은 아니다. 더욱이, 상기 "공급장치"는 예컨대 송풍기, 팬, 펌프 및 컴프레서와 같은 산화제가스의 공급원측으로부터 공냉식연료전지측으로 산화제가스를 송풍할 수 있는 장비 또는 기구를 포함하는 개념이다.
본 발명의 공냉식연료전지는, 제1채널부와 제2채널부가 형성된 전지(즉, 단위전지 또는 단일전지)를 구비한다. 상기 공급장치에 의해 공급되는 산화제가스는, 상기 제1채널부와 상기 제2채널부 각각으로 유동하는 냉각용 산화제가스 및 발전용 산화제가스로서 사용된다. 부수적으로, 상기 "채널부"는 각각의 산화제가스의 통로가 되는 것으로 채널(또는 경로)을 포함하고, 이는 채널을 한정하는 재료요소(예컨대, 벽면 등)를 포함하는 개념이다. 이들 채널부는 예컨대 전지 내의 세퍼레이터 등에 형성된다. 더욱이, "전지를 구비한"이란 말은 본 발명의 공냉식연료전지가 상기 셀들 중 하나 이상을 포함한다는 것을 나타내는 개념이다. 다시 말해, 본 발명의 공냉식연료전지는 한 셀, 즉 단일 셀로 구성될 수도 있고, 또는 복수의 셀들이 적층된 스택 구조를 가질 수도 있다. 더욱이, 스택 구조를 가진다면, 전체 구조가 반드시 하나의 셀로 구성될 필요는 없다.
상기 제1채널부와 제2채널부는 상기 냉각용 산화제가스 및 발전용 산화제가스 양자 모두가 동일한 측면, 즉 서로에 대해 동일한 측면으로부터 유동하도록 형성된다. 여기서, "동일한 측면으로부터의 유동"이란, 넓은 시각으로 또는 전체 시각으로 볼 때, 각각의 셀의 한 측면에서 대향하는 측면으로 산화제가스가 유동한다는 것을 나타내는 개념이다. 이러한 개념이 보장되는 한, 각각의 산화제가스가 각각의 채널부 내로 도입되는 위치가 상기 셀의 에지부 또는 동일한 측면에 반드시 위치할 필요는 없다. 더욱이, 이러한 개념이 보장되는 한, 제1 및 제2채널부의 채널들의 형상은 제한되지 않는다. 예를 들어, 병렬로 배치된 복수의 선형 채널일 수도 있고, 또는 하나의 연관 채널(snaking channel)일 수도 있다. 더욱이, 소위 "서펜타인(serpentine)"으로 불리우는 나선형 채널일 수도 있다.
다른 한편으로, 냉각용 산화제가스와 발전용 산화제가스 양자 모두가 동일한 측면으로부터 유동하도록 형성되는 제1채널부와 제2채널부를 구비한 셀에서는, 상기 셀의 발전량의 변화량이 소정의 셀 온도까지 발전용 산화제가스의 화학양론비에 비해 작게 된다. 여기서, 상기 "화학양론비"는 발전에 필요한 가스 공급량 대비 실제 공급량의 비이고, 이는 공급된 가스의 초과비이다. 화학양론비가 "1"인 상태는 즉 가스가 가장 효과적으로 사용되는 이상적인 상태이다. 하지만, 실제로는 상응하는 손실이 연료전지에 야기되어, 실제 동작에서는 화학양론비를 최소한 1보다 크도록 설정하는 것이 바람직하다. 부수적으로, 상기 화학양론비는 가스의 공급이 증가함에 따라 높아지므로, 넓은 관점에서 보면, 제2채널부에서 유동하는 발전용 산화제가스량의 등량으로 처리될 수도 있다.
여기서는, 특히 셀 온도가 상기 온도보다 낮은(이하인) 온도 영역에서 증가한다면, 공급장치에 의해 공급되는 산화제가스의 공급을 증가시켜 비교적 쉽게 상기 셀 온도를 감소시키는 것이 가능하다. 하지만, 이러한 온도를 초과하는 온도 영역에 셀 온도가 있다면, 상기 셀의 발전량의 변화량은 발전용 산화제가스의 화학양론비에 비해 크게 된다. 더욱 구체적으로는, 화학양론비가 증가함에 따라, 상기 셀의 발전량이 감소한다. 이로 인하여, 발전용 산화제가스가 냉각용 산화제가스의 증가와 함께 증가한다면, 상기 셀의 발전량은 상기 셀의 냉각과 함께 감소한다.
따라서, 본 발명의 공냉식연료전지시스템에서는, 상술된 문제점이 분배장치를 제공함으로써 해결된다. 다시 말해, 공급장치로부터 공급되는 산화제가스는, 각각 냉각용 산화제가스 및 발전용 산화제가스로서, 상기 분배장치에 의하여 제1채널부와 제2채널부로 분배된다. 이 때, 상기 분배장치는 이들 채널부에 대하여 상기 공급된 산화제가스를 변경가능한 분배비로 분배할 수 있다.
여기서, "변경가능한 분배비로"는 각각의 제1채널부와 제2채널부로 분배되는 산화제가스의 비가 예컨대 물리적, 기계적, 역학적 또는 전기적 방법으로 제어될 수 있다는 것을 나타내는 개념이다. 본 발명의 "분배장치"는 이러한 분배를 수행할 수 있는 한, 임의의 실시형태를 가질 수도 있다. 예를 들면, 상기 공급된 산화제가스를 연료전지의 각각의 셀로 도입시키기 위한 흡입측 매니폴드에 배치된 밸브일 수도 있다.
부가적으로는, 이러한 분배가 전혀 수행되지 않는 경우에 비해, 냉각용 산화제가스 및 발전용 산화제가스의 분배비가 다소 변경될 수 있는 한, 상기 변경가능한 분배비의 범위는 결코 제한되지 아니한다.
본 발명의 공냉식연료전지시스템에 따르면, 상기 분배장치의 작동에 의해 상기 셀에 대한 냉각용 산화제가스 및 발전용 산화제가스의 분배비를 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 셀의 발전량의 감소 없이 또는 상기 셀의 발전량이 덜 감소하면서도 상기 셀의 온도를 낮출 수 있게 된다.
부가적으로, 상기 "발전량"은 상술된 화학양론비에 대한 그 거동이 변경되지 않는 한, 발전량을 한정하는 또다른 물리량으로 상기 발전량이 대체될 수 있다는 것을 나타내는 개념이다. 예를 들어, 상기 물리량은 전압일 수도 있다.
본 발명의 공냉식연료전지시스템의 일 실시형태에 있어서는, 상기 셀의 온도를 측정하기 위한 온도검출장치; 및 (i) 상기 발전용 산화제가스의 화학양론비의 변화량에 응답하는 상기 셀의 발전량의 변화량이 작은 온도 영역을 한정하는 임계 온도보다 상기 검출된 온도가 낮고, 상기 임계 온도보다 낮은 온도로 사전에 미리 설정된 목표 온도보다 상기 검출된 온도가 높은 경우, 상기 냉각용 산화제가스 및 상기 발전용 산화제가스 중 하나 이상을 증가시키기 위해, 상기 분배장치 및 상기 공급장치 중 하나 이상을 제어하고, (ii) 상기 검출된 온도가 상기 임계 온도 이상인 경우, 상기 발전용 산화제가스는 증가시키지 않고 상기 냉각용 산화제가스를 증가시키기 위해 상기 분배장치를 제어하는 제어장치를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 실시형태에 따르면, 상기 셀의 온도가 온도검출장치에 의해 검출된다. 본 발명의 온도검출장치는 그것이 셀의 온도를 검출할 수 있는 한, 임의의 실시형태를 가질 수도 있다. 더욱이, 상기 온도검출장치가 반드시 본 발명의 모든 셀들에 제공될 필요는 없다. 예를 들어, 복수의 셀의 온도가 임의의 또는 소정의 기초로 결정된 하나의 셀의 온도로 표현될 수도 있다. 더욱이, 상기 셀 온도의 대체물로서, 냉각용 산화제가스의 배기 온도, 발전용 산화제가스의 배기 온도 등을 이용하는 것도 가능하다.
상기 셀 온도가 검출된다면, 상기 제어장치는 상기 검출된 셀 온도에 따라 분배장치를 제어한다. 상술된 바와 같이, 냉각용 산화제가스와 발전용 산화제가스 양자 모두가 동일한 측면으로부터 유동하도록 형성되는 셀에서는, 상기 셀의 발전량의 변화량이 발전용 산화제가스의 화학양론비에 비해 작은 온도 범위가 있다. 여기서, 상기 "작은"은 정밀한 또는 엄격한 수치값에 대한 불균형(inequality)을 토대로 한정될 수도 있고, 또는 상기 온도 범위 내의 셀의 발전량의 변화량이 또다른 온도 범위에 있는 것보다 상대적으로 더욱 작다는 이러한 상대적 불균형을 토대로 한정될 수도 있다. 이러한 화학양론비에 대한 셀의 발전량의 변화량은 실질적으로 셀 온도가 증가함에 따라 커지게 된다. 다시 말해, 상술된 바와 같이 한정된 온도 범위를 초과하는 온도 범위에서는, 이러한 변화량이 커지게 된다. 본 발명의 공냉식연료전지시스템에서는, 이러한 온도 범위를 한정하는 임계 온도가 사전에 미리 설정된다. 부가적으로, 상기 임계 온도는 사전에 미리, 실험적으로, 경험적으로 또는 시뮬레이션 등에 의해 설정될 수도 있고, 또는 필요에 의해 상기 셀의 상태에 따라 설정될 수도 있다.
다른 한편으로, 상기 연료전지의 실제 사용에서는, 분명히 효율적인 발전 상태가 유지되는 관점에서, 임계 온도보다 낮은 온도 범위에서 연료 전지를 구동하는 것이 바람직하다. 그러므로, 전력이 본 발명의 공냉식연료전지에 발생될 때의 목표 온도가 임계 온도보다 낮게 사전에 미리 설정된다. 부가적으로, 상기 목표값은 사전에 미리, 실험적으로, 경험적으로 또는 시뮬레이션 등에 의해 설정될 수도 있고, 또는 필요에 의해 상기 셀의 상태에 따라 설정될 수도 있다. 부가적으로, "임계 온도보다 낮은"이란 임계값을 설정하는 방법에 따라, "임계 온도 이하"에 등가인 개념으로 처리될 수도 있다는 것을 가리킨다.
상기 제어장치는, 검출된 셀 온도가 임계 온도보다 낮고, 목표 온도보다 높은 경우, 냉각용 산화제가스 및 발전용 산화제가스 중 하나 이상을 증가시키기 위해 분배장치 및 공급장치 중 하나 이상을 제어한다. 부가적으로, "목표 온도보다 높은"이란 목표 온도를 설정하는 일부 실시형태들에서, "목표 온도 이상"으로 대체될 수도 있다는 것을 나타낸다.
상기 셀 온도가 목표 온도보다 높고 임계 온도보다 낮은 온도 범위에 있다면, 상기 셀을 냉각하는 방법을 선택하는 것이 비교적 자유롭다. 냉각용 산화제가스량만이 증가될 수도 있고, 또는 냉각용 산화제가스 및 발전용 산화제가스 양자 모두가 증가될 수도 있다. 더욱이, 이러한 온도 범위에서는, 상기 셀의 발전량이 화학양론비에 대해 다소 증가한다면, 상기 셀의 발전량이 증가함에 따라 발전 손실이 감소하여, 결국에는 셀의 온도가 감소하게 된다. 따라서, 발전용 산화제가스만을 증가하는 것도 가능하다. 더욱이, 상기는 분배장치에서의 분배비를 제어하여 실현될 수도 있고, 또는 공급장치에 의해 공급되는 산화제가스의 공급을 제어함으로써 간단히 실현될 수도 있다. 대안적으로는, 전체로서 산화제가스의 공급을 증가시키고, 또한 분배장치의 분배비를 추가로 제어함으로써 실현될 수도 있따. 냉각 시 각각의 장치의 제어의 실시형태는 사전에 미리, 실험적으로, 경험적으로 또는 시뮬레이션 등을 토대로 설정될 수도 있다. 더욱이, 이 경우에는 제어방법이 셀 온도 및 화학양론비에 따라 결정될 수도 있다.
다른 한편으로, 상기 제어장치는, 검출된 온도가 임계 온도 이상인 경우, 발전용 산화제가스는 증가시키지 않지만 냉각용 산화제가스를 증가시키기 위해 분배장치를 제어한다. 부가적으로, "임계 온도 이상"이란 임계 온도를 설정하는 일부 실시형태들에 있어서 "임계 온도보다 높은"으로 대체될 수 있다는 것을 가리키는 개념이다.
셀 온도가 임계 온도 이상이면, 발전용 산화제가스의 증가는 화학양론비를 증가시켜, 상기 셀의 발전량을 감소시키게 된다. 그러므로, 발전용 산화제가스의 증가없이, 냉각용 산화제가스만을 증가시키기 위해 분배장치에서의 분배비를 제어함으로써, 상기 셀을 효과적으로 냉각시키는 것이 가능하다. 부가적으로는, 이 때 발전용 산화제가스량이 유지되거나 감소하도록 제어될 수도 있다. 더욱이, 분배장치 이외에, 필요에 따라 공급장치가 제어될 수도 있다. 상기 온도 범위에서 각각의 장치의 제어의 실시형태는 사전에 미리, 실험적으로, 경험적으로 또는 시뮬레이션 등을 토대로 설정될 수도 있다.
이러한 실시형태에 따르면, 제어장치가 분배장치를 제어함으로써, 공냉식연료전지를 효율적이면서도 효과적으로 냉각시키는 것이 가능하다.
부가적으로, 이러한 실시형태에서는, 본 발명의 공냉식연료전지시스템에는 상기 공냉식연료전지의 상태에 따라 상기 목표 온도를 설정하기 위한 목표온도설정장치가 추가로 제공될 수도 있다.
상술된 바와 같이, 화학양론비에 대한 셀의 발전량의 변화량의 특성은 연료전지 자체의 변화량 또는 상기 연료전지의 환경으로 인하여 시간에 따라 변하기 쉽다. 이 경우, 목표 온도가 고정값이면, 일부 경우에는 전력을 목표값으로 발생시키기에 반드시 효율적인 것은 아니다. 따라서, 상술된 바와 같이, 목표값이 목표온도설정장치에 의해 공냉식연료전지의 상태에 따라 설정될 수 있다면, 선호되는 공냉식연료전지를 효율적으로 이용하는 것이 가능하다.
부가적으로, 상술된 온도검출장치 및 제어장치가 제공된 실시형태에서는, 본 발명의 공냉식연료전지시스템에 추가로 공냉식연료전지의 상태에 따라 임계 온도를 설정하기 위한 임계온도설정장치가 제공될 수도 있다.
상기 목표값에서와 같이, 임계값 또한 쉽게 변경되어, 상술된 바와 같이 임계온도설정장치를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 이러한 효과들과 다른 장점들은 후술하는 실시예들과 예시들로부터 더욱 명백해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식연료전지시스템을 도시한 개략적 인 사시도;
도 2는 도 1의 A-A' 단면도;
도 3은 도 1의 B-B' 단면도;
도 4는 도 1의 공냉식연료전지시스템에 제공된 연료전지의 각각의 온도에서의 셀 전압의 특성 곡선; 및
도 5는 도 1의 공냉식연료전지시스템에서 수행되는 온도제어공정을 도시한 흐름도이다.
* 도면 번호의 기술 *
10 공냉식연료전지시스템
100 제어장치
200 공기공급시스템
210 공기공급장치
300 연료전지스택
310 연료전지
314 발전용공기채널부
315 냉각용공기채널부
320 흡기매니폴드
400 가변밸브
500 온도센서
<본 발명의 실시예>
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.
<실시예의 구조>
우선, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 필요에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 공냉식연료전지시스템의 구조를 설명하기로 한다. 도 1은 공냉식연료전지시스템(10)을 도시한 개략적인 사시도이다. 도 2는 도 1의 A-A' 단면도이다. 도 3은 도 1의 B-B' 단면도이다.
도 1에서, 공냉식연료전지시스템(10)에는, 제어장치(100); 공기공급시스템(200); 연료전지스택(300); 가변밸브(400); 및 온도센서(500)가 제공된다.
상기 제어장치(100)는 상기 공냉식연료전지시스템(10)의 동작(들)을 제어하기 위한 제어유닛으로서, 본 발명의 "제어장치"의 일 예시로서의 기능을 하도록 구성된다.
상기 공기공급시스템(200)에는 공기공급장치(210); 및 공기공급관(220)이 제공된다.
상기 공기공급장치(210)는 본 발명의 "산화제가스"의 일 예시인 공기를 연료전지스택(300)으로 공급하기 위한 장치로서, 본 발명의 "공급장치"의 일 예시이다. 상기 공기공급장치(210)에는 예시되지 않은 팬이 제공되고, 상기 제어장치(100)가 상기 팬의 회전량을 제어함으로써, 상기 공기의 공급량을 변경할 수 있다. 상기 공급관(220)은 공기공급장치(210) 및 후술하는 흡기매니폴드(320)에 연결하기 위한 관 또는 라인이다. 부수적으로, 상기 공기공급장치(210) 내의 공급관(220)의 반대 쪽에는, 외부로부터 공기를 흡입하여 그것을 공기공급장치(210)로 공급하기 위한 공급원이 있지만, 그 설명은 생략하기로 한다.
상기 연료전지스택(300)은, 복수의 연료전지(310)(도 1에 예시되지 않음); 흡기매니폴드(320); 배기매니폴드(330); 수소흡입매니폴드(340); 및 수소배기매니폴드(350)가 제공된 본 발명의 "공냉식연료전지"의 일 예시이다.
상기 흡기매니폴드(320)는 상기 공급관(220)과 연통되도록 구성되고, 상기 공기공급장치(210)로부터 공급되는 공기를 모아 그것을 각각의 연료전지(310)로 공급할 수 있다. 상기 배기매니폴드(330)는 각각의 연료전지(310) 상에서 사용되는 공기를 모아 그것을 예시되지 않은 배기시스템으로 공급하도록 구성된다. 상기 수소흡입매니폴드(340)는 예시되지 않은 수소가스공급시스템으로부터 공급되는 수소 가스를 모아 그것을 각각의 연료전지(310)로 공급하도록 구성된다. 상기 수소배기매니폴드(350)는 각각의 연료전지(310) 상에서 사용되는 수소 가스를 모아 그것을 예시되지 않은 수소가스배기시스템으로 공급하도록 구성된다.
도 2에서, 상기 연료전지(이하, 필요에 따라 "셀"이라고도 함)는 예시된 적층 방향으로 순서대로 배치되어, 그들 각각이 본 발명의 "셀"의 일 예시를 구성한다.
상기 셀(310)에는, MEA(Membrane-Electrode Assembly)(311); 세퍼레이터(312); 수소가스채널부(즉, 수소가스가 유동하는 경로)(313); 발전용공기채널부(즉, 발전용 공기가 유동하는 경로)(314); 및 냉각용공기채널부(즉, 냉각용 공기가 유동하는 경로)(315)가 제공된다.
상기 MEA(311)에는, 애노드 전극; 캐소드 전극; 및 한 쌍의 전극 사이에 끼워진 전해질멤브레인이 제공된다. 상기 MEA(311)는 캐소드 전극으로 공급되는 공기를 전해질멤브레인을 통해 애노드 전극으로 공급되는 수소 가스와 전기화학적으로 반응시켜 기전력을 발생시키도록 구성된다.
상기 세퍼레이터(312)는 부분적으로 전도성을 갖는 부재이다. 상기 수소가스채널부(313), 발전용공기채널부(314) 및 냉각용공기채널부(314)는 세퍼레이터(312) 내부에 독립적으로 형성된다.
상기 수소가스채널부(313)는, 상기 세퍼레이터(312)의 적층 방향으로 하나의 에지부에서 발전용 수소 가스를 유동시키기 위한 채널로서의 기능을 하도록 구성된다. 부가적으로, 상기 수소가스채널부(313)의 채널은 도 2의 화살표 C 방향으로 연장되는 복수의 선형 채널로서 형성된다. 상기 수소흡입매니폴드(340)로부터 유동하는 수소 가스는 상기 수소가스채널부(313)를 통해 수소배기매니폴드(350)로 방출된다.
상기 발전용공기채널부(314)는, 상기 세퍼레이터(312)의 적층 방향으로 하나의 에지부에서 발전용 공기를 유동시키기 위한 채널로서의 기능을 하도록 구성된, 본 발명의 "제2채널부"의 일 예시이다. 상기 냉각용공기채널부(315)는 상기 수소가스채널부(313)와 상기 발전용공기채널부(314) 사이에 형성된다. 상기 냉각용공기채널부(315)는, 상기 셀(310)을 냉각시키는 냉각용 공기를 유동시키기 위한 채널로서의 기능을 하도록 구성된 본 발명의 "제1채널"의 일 예시이다. 상기 냉각용공기채널부(315)는 서로 인접하여 있는 두 셀(310)에 의해 공유된다. 상기 발전용공기채 널부(314)와 냉각용공기채널부(315)의 채널들은 모두 도 2의 지면에 수직한 방향으로 연장되는 복수의 선형 채널로서 형성된다.
도 3에 있어서, 도 3(a)는 발전용공기채널부(314)를 도시한 단면도이고, 도 3(b)는 냉각용공기채널부(315)를 도시한 단면도이다. 부가적으로, 도 3에는, 편의를 위하여, 두 단면들이 도 1의 B-B' 단면도로 도시되어 있다.
도 3(a)에서, 상기 발전용공기채널부(314)는 세퍼레이터(312)의 영역부(312a) 내의 흡기매니폴드(320)와 연통되는 연통개구(314a)를 구비하고, 상기 세퍼레이터(312)의 영역부(312b) 내의 배기매니폴드(330)와 연통되는 연통개구(314b)를 구비한다. 상기 발전용공기채널부(314)는 상기 연통개구(314a)로부터 유동하는 발전용 공기가 예시된 화살표 a로 도시된 흐름으로 선형 채널들을 통해 상기 연통개구(314b)로 유동하는 구조를 가진다.
도 3(b)에서, 상기 냉각용공기채널부(315)는 세퍼레이터(312)의 영역부(312a) 내의 흡기매니폴드(320)와 연통되는 연통개구(315a)를 구비하고, 상기 세퍼레이터(312)의 영역부(312b) 내의 배기매니폴드(330)와 연통되는 연통개구(315b)를 구비한다. 상기 냉각용공기채널부(315)는 상기 연통개구(315a)로부터 유동하는 냉각용 공기가 예시된 화살표 b로 도시된 흐름으로 선형 채널들을 통해 상기 연통개구(315b)로 유동하는 구조를 가진다.
도 3으로부터 명백한 바와 같이, 넓게 보면 각각의 채널부는 발전용 공기 및 냉각용 공기 양자 모두가 세퍼레이터(312)의 영역부(312a) 및 영역부(312b)로부터 유동하도록 구성된다. 다시 말해, 발전용 공기 및 냉각용 공기가 각각의 셀(310) 상의 동일한 측면으로부터 유동하도록 구성된다.
상기 흡기매니폴드(320)에는 가변밸브(400)가 배치되는데, 이는 제어장치(100)의 제어 하에 이동할 수 있는 가동밸브이다. 상기 가변밸브(400)의 가동 범위는 예시된 위치 d 및 e로 한정된다. 가변밸브(400)가 위치 d에 보다 근접함에 따라, 냉각용 공기량이 상대적으로 증가하고, 상기 가변밸브(400)가 위치 e로 더욱 근접함에 따라, 발전용 공기량이 상대적으로 증가한다. 다시 말해, 상기 가변밸브(400)는, 발전용공기채널부(314)로 유동하는 공기와 냉각용공기채널부(315)로 유동하는 공기의 분배비가 그 정지 위치에 따라 변하도록 구성된다.
도 1을 다시 살펴보면, 상기 온도센서(500)가 본 발명의 "온도검출장치"의 일 예시로서, 임의의 셀(310)의 온도를 검출하도록 구성된다. 본 실시예에서는, 온도센서(500)에 의해 검출되는 셀 온도가 연료전지스택(300)을 구성하는 모든 셀(310)들의 온도로 채택된다.
<실시예의 동작>
다음으로, 상술된 구조를 갖는 공냉식연료전지시스템(10)의 동작을 설명하기로 한다.
<공냉식연료전지시스템(10)의 기본 동작>
우선, 공냉식연료전지시스템(10)의 기본 동작을 설명하기로 한다.
공냉식연료전지시스템(10)의 동작 시, 제어장치(100)는 수소 가스를 공급하기 위한 수소가스공급시스템을 제어하여, 상기 수소 가스를 수소흡입매니폴드(340)로 공급하게 된다. 상기 공급된 수소 가스는 수소흡입매니폴드(340)로부터 세퍼레 이터(312) 내의 수소가스채널부(313)로 공급된다. 상기 수소가스채널부(313)로 공급되는 수소 가스는 MEA(311)를 구성하는 애노드 전극의 확산층(즉, 가스를 확산시키기 위한 층)에서 확산되고, 애노드측 촉매에 도달한다.
다른 한편으로, 상기 제어장치(100)는 공기공급장치(210)를 제어하여, 공기를 흡기매니폴드(320)로 공급하게 된다. 상기 공급된 공기는 흡기매니폴드(320)로부터 세퍼레이터(312) 내의 냉각용공기채널부(315)와 발전용공기채널부(314)로 공급된다. 이 때, 발전용공기채널부(314)와 냉각용공기채널부(315)의 공기 분배비는 가변밸브(400)의 위치에 의해 제어된다. 정상적으로, 상기 제어장치(100)는 가변밸브(400)의 위치를 도 3의 위치 e에 보다 근접한 위치로 설정한다. 다시 말해, 상기 가변밸브(400)는 발전용공기채널부(314) 안으로 유동하는 공기량이 보다 많은 위치에 위치되도록 제어된다. 상기 발전용공기채널부(314)로 유동하는 공기는 MEA(311)를 구성하는 캐소드 전극의 확산층(즉, 공기를 확산시키기 위한 층)에서 확산되고, 캐소드측 촉매에 도달한다.
상기 애노드측 촉매에 도달한 수소 가스는 아래의 화학식 (1)에 도시된 반응에 의하여 전자와 양성자로 분리된다. 전자들은 애노드 전극으로부터 외부 회로를 통해 캐소드 전극에 도달한다. 이와 동시에, 양성자들은 전해질멤브레인을 통해 캐소드 전극으로 이동한다.
H2→2H+ + 2e- 화학식 (1)
다른 한편으로, 아래의 화학식 (2)에 도시된 반응이 캐소드 전극에서 발생한 다. 즉, 확산층으로 공급되는 공기 내의 산소 분자들이 외부 회로를 통과하는 전자들을 수용하여, 산소 이온들을 형성하게 된다. 이와 동시에, 산소 이온들이 수소 이온들과 결합하여, 물을 형성한 다음 상기 물이 배출되게 된다.
2H++2e-+(1/2)O2→H2O 화학식 (2)
각각의 연료전지(310)에서는, 이러한 타입의 전기화학반응이 기전력을 발생시킨다(즉, 전기 또는 전력을 발생시킨다). 상기 기전력은 결국 연료전지스택(300)의 출력으로서 소정의 부하를 통해 취해진다.
<공냉식연료전지시스템(10)의 온도 제어>
상기 셀(310)은 상술된 발전 절차에서 열을 발생시킨다. 여기서는, 도 4를 참조하여, 셀 온도와 셀 전압간의 관계를 설명하기로 한다. 도 4는 상기 셀(310)의 각각의 온도에서의 셀 전압의 특성 곡선이다.
도 4에서, 수직축은 셀 전압을 나타내고, 수평축은 발전용 공기의 화학양론비를 나타낸다. 부가적으로, 본 발명의 "셀의 발전량"은 대안적으로 수직축 상에 도시된 셀 전압으로 표현된다고 가정한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 셀 전압은 셀 온도가 증가함에 따라 전체로서 감소하는 경향이 있다. 그러므로, 공냉식연료전지시스템(10)의 셀 온도를 적절하게 제어할 필요가 있다. 공냉식연료전지시스템(10)에서는, 제어장치(100)가 온도제어공정을 수행하고, 상기 셀(310)의 온도가 상기 온도제어공정에서 제어된다. 또한, 상기 셀(310)은 화학양론비가 1 보다 큰 영역에서 정상적으로 동작한다.
여기서는, 도 5를 참조하여, 상세한 온도제어공정을 설명하기로 한다. 도 5는 온도제어공정을 도시한 흐름도이다.
도 5에서는, 우선 제어장치(100)가 셀 온도를 획득한다(단계 A10). 상기 제어장치(100)는 일정한 시기에 온도센서(500)의 출력을 모니터링하고, 상기 출력을 셀 온도로서 획득한다. 만일 셀 온도를 획득한다면, 상기 제어장치(100)는 상기 셀 온도가 목표 온도(Ta) 보다 높은 지의 여부를 판정한다(단계 A11).
이제, 도 4를 다시 참조하여, "목표 온도"를 설명하기로 한다. 공냉식연료전지에 있어서, 상기 실시예에서와 같이, 발전용 공기와 냉각용 공기가 동일한 측면으로부터 유동하도록 구성되어 있는 경우에는, 발전용 공기의 화학양론비에 대해 셀 전압의 비교적 작은 변화량이 존재하는 온도 T1, T2, T3(T3>T2>T1)를 포함하는 온도 영역(예시된 "온도 그룹 TG1")과, 셀 전압에서 상대적으로 큰 변화량이 존재하는 온도 T4, T5(T5>T4>T3)를 포함하는 온도 영역(예시된 "온도 그룹 TG2")이 있게 된다.
만일 셀(310)이 온도 그룹(TG2)(예컨대, 온도 T4 또는 T5)에 속하는 온도에서 동작한다면, 상기 셀 전압은 불안정하게 되기 쉽다. 본 실시예에 있어서, 임계 온도(Tth)(T3<Tth<T4)는 온도 그룹(TG1)과 온도 그룹(TG2)간의 경계를 한정하기 위한 온도로 설정된다. 상기 임계값(Tth)은 제어장치(100)가 사전에 미리 참조할 수 있는 형태로 저장된다. 본 실시예에서는, 상기 셀(310)의 목표 온도(Ta)가 임계 온도(Tth)보다 낮은 온도로 설정된다. 상기 목표 온도(Ta)는 또한 임계 온도(Tth)에서와 같이, 상기 제어장치(100)가 사전에 미리 참조할 수 있는 형태로 저장된다. 부가적으로, 상기 목표 온도(Ta)는 임계 온도(Tth)보다 낮은 온도 범위에서, 실험적으로, 경험적으로 또는 시뮬레이션 등을 토대로 사전에 미리 최적값으로 설정된다.
도 5로 다시 돌아가면, 셀 온도가 목표 온도(Ta) 이하이면(단계 A11:NO), 상기 제어장치(100)는 프로세스를 단계 A10으로 되돌려, 셀 온도의 획득을 반복한다. 이와 동시에, 셀 온도가 목표 온도(Ta)보다 높게 되면(단계 S11:YES), 상기 제어장치(100)는 상기 셀 온도가 임계 온도(Tth)보다 낮은 지의 여부를 판정한다(단계 A12).
만일 셀 온도가 임계 온도(Tth)보다 낮으면(단계 A12:YES), 상기 제어장치(100)는 공기공급장치(210)를 제어하여 공기 공급을 증가시키게 된다(단계 A13). 공급되는 공기량이 증가한다는 사실로 인하여, 흡기매니폴드(320)로 공급되는 공기량이 증가한다. 결과적으로, 냉각용공기채널부(315)로 유동하는 공기량이 증가한다. 그러므로, 상기 셀(310)이 냉각되어, 셀 온도가 감소한다.
다른 한편으로, 공기의 공급이 증가하는 경우에는, 발전용 공기량도 증가한다. 여기서, 목표 온도(Ta)보다 높고 임계 온도(Tth)보다 낮은 셀 온도는 도 4의 온도 그룹(TG1)에 속하는 온도이다. 온도 그룹(TG1)에 속하는 온도에서는, 상기 셀(310) 내의 발전용 공기의 화학양론비에 대한 셀 전압의 비교적 작은 변화량이 있다. 그러므로, 발전용 공기가 냉각용 공기의 증가와 함께 증가되더라도, 상기 셀(310)의 발전 상태가 논란이 될 정도로 현저하게 변하지 않는다. 더욱이, 예컨대 온도(T1)에서는, 셀 전압이 화학양론비에 대해 증가하는 경향이 있다. 이 경우, 셀 전압은 발전용 공기가 증가한다는 사실로 인하여 증가되고, 상기 셀의 발전 손실이 감소하여, 셀 온도를 낮추게 된다. 다시 말해, 셀을 효과적으로 냉각시키는 것이 가능하다.
도 5로 다시 돌아가면, 셀 온도가 임계 온도(Tth) 이상이면(단계 A12:NO), 제어장치(100)는 가변밸브(400)를 제어하여, 공급되는 공기의 분배비를 변경시킨다(단계 A14).
여기서는, 임계 온도(Tth) 이상인 셀 온도가 도 4의 온도 그룹(TG2)에 속하는 온도이다. 온도 그룹(TG2)에 속하는 온도에서는, 화학양론비에 대한 셀 전압의 비교적 큰 변화량이 있고, 상기 셀 전압은 상기 화학양론비의 증가와 함께 상대적으로 크게 감소한다. 그러므로, 이 경우에는 단계 A13에 따른 공정에서와 같이, 공급되는 공기가 전체로서 단순히 증가되는 경우, 셀 전압이 감소하는 것을 막는 것이 어렵다. 따라서, 상기 제어장치(100)는 가변밸브(400)를 제어하여, 냉각용공기채널부(315)로 유동하는 공기를 증가시키기 위하여 흡기매니폴드(320)로 공급되는 공기의 분배비를 변경하게 된다. 이 때, 상기 가변밸브(400)의 위치는 도 3의 위치 d 부근에 있도록 제어된다. 이와 함께, 냉각용공기채널부(315)로 유동하는 공기량이 증가한다. 이로써, 상기 셀(310)의 냉각이 가속화되어, 셀 온도가 신속하게 감소한다. 더욱이, 이 때에는 발전용공기채널부(314)로 유동하는 공기량이 감소한다. 하지만, 도 4로부터 명백한 바와 같이, 발전용 공기가 감소하더라도, 셀 전압이 쉽게 저하되지 않기 때문에 문제가 전혀 없게 된다.
상기 셀(310)의 냉각이 단계 A13 또는 단계 A14에 따른 공정에 의해 가속화 된다면, 상기 공정은 단계 A10으로 되돌아가, 상기 셀 온도의 모니터링이 계속된다.
상술된 바와 같이, 본 실시예의 공냉식연료전지시스템(10)에 따르면, 화학양론비에 대한 셀 전압의 큰 변화량이 존재하는 온도 영역에서도, 가변밸브(400)의 작동에 의하여 상기 셀 전압의 감소없이 셀 온도를 낮추는 것이 가능하다.
부가적으로, 셀 온도와 목표 온도(Ta)간의 차이 및 공기공급장치(210)에 의해 공급되는 공기의 공급은 실험적으로, 경험적으로 또는 시뮬레이션 등에 기초하여 사전에 미리 서로 상관되거나 대응될 수도 있고, 상기 제어장치(100)가 참조할 수 있는 형태로 저장될 수도 있다. 이 경우, 단계 A13에 따른 공정에서는, 상기 제어장치(100)가 경우에 따라 이러한 대응 관계에 기초하여 공기공급장치(210)를 제어할 수도 있다. 대안적으로, 상기 제어장치(100)는 현재 상황으로부터 공기량을 단순히 증가시키기 위하여 상기 공기공급장치(210)를 제어할 수도 있다. 이 경우에도, 단계 A10으로부터 시작하는 일련의 루프 공정들에 의하여, 셀 온도를 목표 온도(Ta)로 쉽게 수렴시킬 수 있게 된다.
더욱이, 셀 온도와 목표 온도(Ta)간의 차이와, 가변밸브(400)에 의한 분배비(또는 분배비를 실현하는 제어량)가 실험적으로, 경험적으로 또는 시뮬레이션 등을 토대로 사전에 미리 서로 상관되거나 대응될 수도 있고, 상기 제어장치(100)가 참조할 수 있는 형태로 저장될 수도 있다. 이 경우, 단계 A14에 따른 공정에서는, 상기 제어장치(100)가 이러한 대응 관계를 토대로 경우에 따라 가변밸브(400)를 제어할 수도 있다. 대안적으로는, 상기 제어장치(100)가 현재 상황으로부터 냉각용공 기채널부(315)로 유동하는 공기량을 단순히 증가시키기 위하여 가변밸브(400)를 제어할 수도 있다. 이 경우에도, 단계 A10으로부터 시작하는 일련의 루프 공정들에 의하여, 셀 온도를 목표 온도(Ta)로 쉽게 수렴시킬 수 있게 된다.
또한, 상술된 단계 A14에서는, 상기 제어장치(100)가 가변밸브(400) 이외에 공기공급장치(210)를 제어할 수도 있어, 공기 자체의 공급을 증가시키게 된다. 이 때, 공기공급장치(210)에 의해 야기되는 발전용공기채널부(314)로 유동하는 공기량의 증가가 상기 가변밸브(400)에 의해 야기되는 발전용공기채널부(314)로 유동하는 공기량의 감소를 상쇄하도록 상기 공기공급장치(210)를 제어함으로써, 상기 발전용 공기의 증가없이도 냉각용 공기를 효과적으로 증가시키는 것도 가능하다. 더욱이, 상술된 단계 A13에서는, 상기 가변밸브(400)가 공기공급장치(210) 이외에도 제어될 수도 있어, 흡기매니폴드(320)에서의 공기의 분배비를 변경하게 된다.
부가적으로, 본 실시예에서는, 목표 온도(Ta) 및 임계 온도(Tth)가 설정된 고정값들로 미리 설정된다. 하지만, 상기 셀(310)의 성능은 시간에 따라 변하기 쉬우므로, 온도들이 고정값들이라면, 일부 경우에는 상기 셀을 효과적으로 냉각시키기 어렵게 된다. 이러한 경우에, 상기 시스템은 목표 온도(Ta) 및 임계 온도(Tth)가 경우에 따라 제어장치(100)에 의해 설정될 수 있도록 구성될 수도 있다. 다시 말해, 상기 제어장치(100)는 본 발명의 "임계온도설정장치"의 일 예시와 "목표온도설정장치"의 일 예시로서 기능하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 예를 들면 셀 온도와 셀 전압 등의 이력을 관리하여, 현 시점에서의 상기 셀(310)의 상태에 대한 최적의 목표 온도 및 최적의 임계 온도가 새롭게 설정될 수도 있다.
본 발명이 상술된 실시예로 국한되는 것은 아니며, 원한다면 청구범위와 전체 명세서에서 판독가능한 본 발명의 기술적 사상이나 요지에서 벗어나지 않으면서도 다양한 변형이 이루어질 수도 있다. 이러한 변형예들을 포함하는 공냉식연료전지시스템 또한 본 발명의 기술적 범위 내에 있음은 자명하다.
본 발명에 따른 공냉식연료전지시스템은, 차량에 탑재되어 산화제가스가 발전용 및 냉각용으로 사용되는 공냉식연료전지가 제공된 공냉식연료전지시스템에 적용가능하다.

Claims (4)

  1. 공냉식(air-cooled)연료전지시스템에 있어서,
    냉각용 산화제가스를 유동시키기 위한 제1채널부와 발전용 산화제가스를 유동시키기 위한 제2채널부가 형성되어, 상기 냉각용 산화제가스와 상기 발전용 산화제가스 양자 모두가 동일한 측면으로부터 유동되도록 하는 셀을 구비한 공냉식연료전지;
    산화제가스를 공급하기 위한 공급장치; 및
    상기 냉각용 산화제가스 및 상기 발전용 산화제가스로서, 상기 제1채널부와 상기 제2채널부 안으로 공급되는 산화제가스를 변경가능한 분배비로 분배하기 위한 분배장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공냉식연료전지시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀의 온도를 측정하기 위한 온도검출장치; 및
    (i) 상기 발전용 산화제가스의 화학양론비의 변화량에 응답하는 상기 셀의 발전량의 변화량이 작은 온도 영역을 한정하는 임계 온도보다 상기 검출된 온도가 낮고, 상기 임계 온도보다 낮은 온도로 사전에 미리 설정된 목표 온도보다 상기 검출된 온도가 높은 경우, 상기 냉각용 산화제가스 및 상기 발전용 산화제가스 중 적어도 하나를 증가시키기 위해, 상기 분배장치 및 상기 공급장치 중 적어도 하나를 제어하고, (ii) 상기 검출된 온도가 상기 임계 온도 이상인 경우, 상기 발전용 산 화제가스는 증가시키지 않고 상기 냉각용 산화제가스를 증가시키기 위해 상기 분배장치를 제어하기 위한 제어장치를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공냉식연료전지시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공냉식연료전지의 상태에 따라 상기 목표 온도를 설정하기 위한 목표온도설정장치를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공냉식연료전지시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 공냉식연료전지의 상태에 따라 임계 온도를 설정하기 위한 임계온도설정장치를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공냉식연료전지시스템.
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