KR20190063313A - 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치 - Google Patents

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KR20190063313A
KR20190063313A KR1020170162295A KR20170162295A KR20190063313A KR 20190063313 A KR20190063313 A KR 20190063313A KR 1020170162295 A KR1020170162295 A KR 1020170162295A KR 20170162295 A KR20170162295 A KR 20170162295A KR 20190063313 A KR20190063313 A KR 20190063313A
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최미화
김영배
양석란
김수열
김정석
박용훈
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Abstract

본 발명은 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치에 관한 것으로, 오픈 캐소드 타입 연료전지 시스템의 연료전지에 공기를 공급하는 팬 모터; 제어부의 제어에 따라 펄스폭 변조 방식으로 상기 팬 모터의 속도를 제어하는 팬 모터 구동부; 및 상기 연료전지의 운영 환경에 맞게 상기 팬 모터의 속도를 상기 팬 모터 구동부를 통해 가변하는 상기 제어부;를 포함한다.

Description

오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING FAN OF OPEN CATHODE TYPE FUEL CELL}
본 발명은 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오픈 캐소드 타입의 연료전지에서 외부의 부하가 변동되더라도, 연료전지 스택의 온도를 일정하게 유지해 주고, 또한 연료전지 전기화학반응에 필요한 최적의 공기량을 공급할 수 있도록 하는, 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치에 관한 것이다.
최근 화석연료의 고갈과 환경오염 문제를 경감시키기 위하여 신재생에너지 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다. 그중에서 연료전지는 수소의 화학적 에너지를 촉매 반응을 통해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다.
상기 수소를 이용한 연료전지는 기존의 내연기관에서 사용하는 연소방식보다 2~3배 더 높은 효율을 얻을 수 있으며, 환경오염 물질의 발생을 최소화시킬 수 있는 친환경적인 에너지원으로서, 지속적인 연구 개발을 통해 다양한 분야로 상용화되고 있다.
이러한 연료전지는 기존의 백업용 전원으로 사용되는 이차전지를 대체할 전원으로도 각광 받고 있으며, 빠른 응답 속도, 저온 운전, 높은 시스템 안정성, 높은 전력 밀도와 발전 효율, 연료의 범용성 등의 장점이 있는 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC)(이하, 간단히 '연료전지'로 기재할 수 있음)를 적용하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.
한편 오픈 캐소드(Open cathode) 타입 연료전지(또는 오픈 캐소드 타입 연료전지 시스템)는 외부로 개방된 캐소드(cathode) 구조를 가지며, 별도의 유량 공급장치를 사용하지 않고, 개방된 캐소드(cathode) 유로에 에어 블로워(air blower)(또는 냉각 팬(FAN))를 사용하여 외부 공기를 공급한다. 즉, 오픈 캐소드 타입 연료전지(또는 오픈 캐소드 타입 연료전지 시스템)는 별도의 외부 냉각시스템 없이 공급되는 외부 공기를 이용하여 스택을 직접 냉각시킨다. 따라서 수 냉각 시스템에 비해서 구조가 간단하고 가격이 저렴하여 중소형 연료전지에 많이 사용되어지는 방식이다.
다만 냉각 팬을 구동시키는 전력원은 연료전지 자체의 전력을 사용하므로, 온도를 떨어뜨리기 위하여 팬(즉, 냉각 팬)의 속도를 높이거나 공기 공급을 급격하게 증가시키면, 연료전지의 전체 네트 파워가 감소하게 된다. 반대로 네트 파워를 증가시키기 위하여 공기 팬 모터의 속도를 감소시키면, 연료전지가 일정 온도 이상으로 상승하여 연료전지 내의 수분이 부족하게 됨으로써, 연료전지의 출력 성능이 저하되는 위험이 있거나, 또는 공기 공급이 부족하게 되어 불충분한 전기화학 반응으로 인하여 연료전지의 성능 저하와 더불어 장시간 사용 시 연료전지의 수명이 짧아지는 치명적인 문제점이 있다.
즉, 현재 오픈 캐소드 타입의 연료전지는 단순 공기 제어를 수행하기 때문에 높은 부하가 걸릴시 온도를 떨어뜨리기 위하여 과도한 팬 속도를 내기 때문에 전력 소모가 많고, 반대로 낮은 부하가 걸릴시 온도 상승을 위하여 팬의 스피드를 낮게 설정함으로써 필요 이상으로 온도가 증가하는데, 이 경우에는 멤브레인의 수분 증발로 인한 내부 저항 증가로 연료전지의 파워 손실이 많으며, 최악의 경우 공기 부족 현상을 일으켜 연료전지 시스템의 셧다운 현상이 발생하기도 한다. 이는 팬의 스피드가 과도하게 낮아지면서 전기반응에 필요한 공기 부족 현상을 초래하기 때문이다.
상술한 바와 같이 오픈 캐소드 타입의 연료전지는 일정한 온도를 유지하기 위한 제어가 부재하여 외부 부하 변동에 따라 온도 변화가 심하고, 또한 공기 공급 및 냉각을 동시에 실현하는 공기 팬의 단순 제어로 인하여 연료전지의 수분이 과포화 되어 성능이 저하되거나, 수분 부족으로 인하여 멤브레인의 수명이 단축되는 현상이 있고 연료전지에서 얻을 수 있는 네트 파워가 최적화되지 않는 문제점이 있다.
따라서 연료전지 운영 환경에 맞게 공기 팬 속도를 가변함으로써, 연료전지의 성능을 최적으로 만족시키면서 연료전지의 네트 파워를 최대로 유지시켜주기 위한 방법이 필요한 상황이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-1734760호(2017.05.02. 등록, 연료전지 스택의 제어 장치 및 그 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 오픈 캐소드 타입의 연료전지에서 외부의 부하가 변동되더라도, 연료전지 스택의 온도를 일정하게 유지해 주고, 또한 연료전지 전기화학반응에 필요한 최적의 공기량을 공급할 수 있도록 하는, 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치는, 오픈 캐소드 타입 연료전지 시스템의 연료전지에 공기를 공급하는 팬 모터; 제어부의 제어에 따라 펄스폭 변조 방식으로 상기 팬 모터의 속도를 제어하는 팬 모터 구동부; 및 상기 연료전지의 운영 환경에 맞게 상기 팬 모터의 속도를 상기 팬 모터 구동부를 통해 가변하는 상기 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 팬 모터 구동부를 통합할 수 있으며, 펄스폭을 크게 하여 상기 팬 모터의 속도를 빨라지게 하거나, 펄스폭을 작게 하여 상기 팬 모터의 속도가 줄어들게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 연료전지의 전류 변화에 따른 온도 조건을 만족하면서 최대의 네트 파워를 출력하기 위해 필요한 과산소 비율을 계산하는 레퍼런스 거버너; 및 연료전지 시스템에서 출력되는 실제 과산소 비율(
Figure pat00001
)을 측정한 값을 피드백 받아서 상기 레퍼런스 거버너에서 계산된 과산소 비율로 연료전지에 산소를 공급하기 위한 공기 속도(
Figure pat00002
)를 계산하여 상기 팬 모터를 작동시키는 비례적분 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 최대의 네트 파워를 출력하기 위해 필요한 과산소 비율을 계산하기 위하여, 아래의 수학식1과 같은 유량 방정식을 적용하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 1)
Figure pat00003
여기서
Figure pat00004
은 연료전지 캐소드에 공급되어지는 전체 유동물질의 시간 변화율이고(kg/s),
Figure pat00005
는 유입 산소량의 변화율,
Figure pat00006
는 유입 질소량의 변화율,
Figure pat00007
는 유입 수분 량의 변화율을 의미한다. 그리고 유입 공기의 변화율
Figure pat00008
은 유량센서로 측정된 값이다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 측정된
Figure pat00009
로부터 유입 산소량의 변화율을 아래의 수학식2를 이용해 계산하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 2)
Figure pat00010
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 아래의 수학식 3을 이용해 과산소 비율(
Figure pat00011
)을 계산하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 3)
Figure pat00012
이때
Figure pat00013
는 출력 파워를 내는데 필요한 산소량 변화율이다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 연료전지에 인가되는 전류 값(
Figure pat00014
)으로부터 아래의 수학식 4를 이용해 산소량 변화율(
Figure pat00015
)을 계산하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 4)
Figure pat00016
여기서
Figure pat00017
는 산소의 몰질량,
Figure pat00018
는 연료전지 하나의 셀에 걸리는 전류, F는 패러데이 상수, n은 셀의 개수를 의미한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 연료전지의 온도 제어를 위하여, 아래의 수학식 5를 이용한 오픈 캐소드 타입 연료전지의 열 모델링를 실시하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 5)
Figure pat00019
여기서 m은 연료전지 질량, c는 비열, T는 온도,
Figure pat00020
는 라디에이션으로 방출되는 에너지,
Figure pat00021
은 팬 모터(130)를 통해 냉각되어지는 에너지를 표시하며,
Figure pat00022
는 수소 고위발열량으로부터 생성되는 이상(ideal) 에너지에서 실제(real) 생성되는 에너지의 차를 의미한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 수소 고위발열량으로부터 생성되는 이상(ideal) 에너지에서 실제(real) 생성되는 에너지의 차(
Figure pat00023
)를 아래의 수학식 6을 이용해 산출하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 6)
Figure pat00024
여기서 I는 스택의 전류, E th 는 Nernst 전압, V st 는 스택의 전압을 의미한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 Nernst 전압을 아래의 수학식 7을 이용해 산출하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 7)
Figure pat00025
여기서 P H2 와 P O2 는 각각 스택 내의 수소와 산소의 분압을 의미한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 오픈 캐소드 타입의 연료전지에서 외부의 부하가 변동되어도, 연료전지 스택의 온도를 일정하게 유지해주고 연료전지 전기화학반응에 필요한 최적의 공기량을 공급할 수 있도록 함으로써, 연료전지 시스템의 최대 네트 파워를 얻을 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 제어부의 보다 구체적인 구성을 보인 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련하여, 외부 부하 변화에 따른 연료전지의 네트 출력을 구한 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 최적의 온도를 유지하기 위한 듀티비 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 최대 네트 출력 맵과 최적 온도 맵을 혼합한 새로운 듀티비 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 최적 네트 파워 맵을 이용하여 실제 연료전지를 구동하였을 때 부하 변동에 따른 공기 과급율을 비교한 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 과온도 방지와 최적의 출력을 구하는 듀티비 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 세 가지의 방법으로 팬 모터를 구동하였을 때의 온도 변화를 보여주는 그래프.
도 9는 본 실시예를 적용하지 않은 경우, 60W의 일정한 파워를 상용 제품에 적용할 경우 시스템이 자동 셧다운 되는 시간을 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치 및 방법의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치는, 제어부(110), 및 팬 모터 구동부(120)를 포함한다.
그리고 본 실시예에서, 팬 모터(130), 연료전지(140), 수소 공급부(150), DC/DC 컨버터(160), 및 부하(즉, 외부 부하)(170)를 포함하여 연료전지 시스템이라고 할 수 있다. 따라서 연료전지 시스템의 구성은 통상적이라고 할 수 있으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
상기 제어부(110)는 연료전지(140)의 운영 환경에 맞게 팬 모터(130)의 속도를 상기 팬 모터 구동부(120)를 통해 가변한다. 이때 본 실시예에서는 상기 제어부(110)와 팬 모터 구동부(120)를 구분하여 설명하지만, 실시예에 따라서는 상기 제어부(110)가 팬 모터 구동부(120)를 통합할 수도 있다.
상기 팬 모터 구동부(120)는 상기 제어부(110)의 제어에 따라 펄스폭 변조 방식으로 상기 팬 모터(130)의 속도(즉, 회전 속도)를 제어한다.
예컨대 펄스폭이 크면 팬 모터(130)의 속도가 빨라지며 펄스폭이 작아지면 팬 모터(130)의 속도가 줄어든다.
상기 팬 모터(130)는 팬의 회전을 통해 연료전지(140)의 공기를 공급한다.
아울러 도면에는 구체적으로 도시되어 있지 않지만, 본 실시예에 따른 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치는, 적어도 하나 이상의 센서(예 : 온도센서, 전류센서, 공기(산소) 유량센서 등)를 포함하는 센서부(미도시)를 포함할 수 있다.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 제어부(110)의 보다 구체적인 구성을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이, 제어부(110)는 레퍼런스 거버너(111), 및 비례적분 제어기(112)를 포함한다.
상기 레퍼런스 거버너(reference governor)(111)는 연료전지(140)의 전류 변화에 따른 온도 조건을 만족하면서 최대의 네트 파워를 출력하기 위한 과공기(또는 과산소) 비율을 계산한다.
상기 비례적분 제어기(PI controller)(112)는 실제 과공기(또는 과산소) 비율(
Figure pat00026
)을 측정한 값을 피드백 받아서 상기 레퍼런스 거버너(121)에서 요구하는 과공기(또는 과산소) 비율로 연료전지(140)를 운전한다. 즉, 상기 제어부(110)는 상기 비례적분 제어기(112)에서 계산된 공기 속도(
Figure pat00027
)에 비례하는 팬 모터(130)를 작동시켜 연료전지(140)에 공기(산소)를 공급한다.
본 실시예에 따른 오픈 캐소드 타입 연료전지의 전기화학 반응에 필요한 필요 산소량을 계산하고 측정하기 위하여, 상기 제어부(110)는 아래의 수학식1과 같은 유량 방정식을 이용한다.
Figure pat00028
여기서
Figure pat00029
은 연료전지 캐소드에 공급되어지는 전체 유동물질의 시간 변화율이고(kg/s),
Figure pat00030
는 유입 산소량의 변화율,
Figure pat00031
는 유입 질소량의 변화율,
Figure pat00032
는 유입 수분 량의 변화율을 의미한다.
그리고 유입 공기의 변화율
Figure pat00033
은 유량센서로 측정하며, 측정된
Figure pat00034
로부터 유입 산소량의 변화율은 아래의 수학식2와 같이 계산한다.
Figure pat00035
여기서 과산소 비율을
Figure pat00036
라고 정의하면,
Figure pat00037
는 아래의 수학식 3과 같이 계산되어진다.
Figure pat00038
이때
Figure pat00039
는 출력 파워를 내는데 필요한 산소량 변화율이며, 이는 연료전지에 걸리는 전류 값으로부터 아래의 수학식 4와 같이 계산되어진다.
Figure pat00040
상기 수학식 4에서
Figure pat00041
는 산소의 몰질량,
Figure pat00042
는 연료전지 하나의 셀에 걸리는 전류, F는 패러데이 상수, n은 셀의 개수를 의미한다.
따라서 유량센서를 이용하여 공기의 유입 변화량 및 연료전지 출력 전류를 측정한 후, 상기
Figure pat00043
를 이용하여 과산소 비율을 계산하여 산소가 충분히 공급되고 있는지를 판단한다.
또한, 연료전지의 온도 제어를 위하여 오픈 캐소드 타입 연료전지의 열모델링이 필요하며 그 식은 아래의 수학식 5와 같이 표현되어진다.
Figure pat00044
상기 수학식 5에서 m은 연료전지 질량, c는 비열, T는 온도,
Figure pat00045
는 라디에이션으로 방출되는 에너지,
Figure pat00046
은 팬 모터(130)를 통해 냉각되어지는 에너지를 표시하며,
Figure pat00047
는 수소 고위발열량으로부터 생성되는 이상(ideal) 에너지에서 실제(real) 생성되는 에너지의 차를 의미하며, 그 값은 아래의 수학식 6과 같이 구하여진다.
Figure pat00048
상기 수학식 6에서 I는 스택의 전류, E th 는 Nernst 전압, V st 는 스택의 전압을 표시하며, Nernst 전압은 아래의 수학식 7과 같다.
Figure pat00049
위 식에서 P H2 와 P O2 는 각각 스택 내의 수소와 산소의 분압을 표시한다.
한편
Figure pat00050
(라디에이션으로 방출되는 에너지),
Figure pat00051
(팬 모터를 통해 냉각되어지는 에너지)는,
Figure pat00052
Figure pat00053
으로 표시되어지며,
Figure pat00054
는 공기 밀도,
Figure pat00055
는 입구 단면적,
Figure pat00056
는 유량 속도를 의미한다.
따라서 유량 속도와 스택 온도를 측정함으로써
Figure pat00057
을 계산한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련하여, 외부 부하 변화에 따른 연료전지의 네트 출력을 구한 그래프로서, 최적 듀티비 맵을 구하기 위하여, 연료전지 외부 전류 변동에 따른 최대 네트 파워 맵과 온도 맵을 복합하여 결정하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 외부 부하에 따라 네트 출력이 얻어지는 듀티비가 변함을 알 수 있으며, 최대의 네트 출력을 얻는 듀티비를 연결하여 맵을 얻을 수 있다.
도 3의 오른쪽 하단은 외부 부하 변화량에 따른 최대 네트 출력을 보장하는 듀티비 맵으로써, 0.1에서 0.55까지 전류에 따라 듀티비가 변화함을 알 수 있다.
또한 도 3에 도시된 바와 같이 듀티비를 높이면(즉 공기 팬 모터의 속도를 증가 시키면) 연료전지의 온도를 떨어뜨릴 수 있고, 또한 충분한 양의 공기를 공급할 수는 있으나, 팬 모터(130)의 동력도 연료전지(140)에서 공급되어지므로 네트 출력은 오히려 떨어짐을 알 수 있다. 반면, 듀티비를 낮추면 충분한 양의 공기가 공급되어지지 않거나, 또는 연료전지(140)의 온도가 상승하므로, 오히려 연료전지 시스템의 네트 출력이 떨어지게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 최적의 온도를 유지하기 위한 듀티비 그래프이며, 이에 도시된 바와 같이 듀티비가 낮으면 공기 팬 모터 속도가 낮게 되어 충분한 양의 공기가 유입되지 못하므로, 연료전지 반응이 활발하지 못하여 온도가 떨어지고, 반면에 듀티비를 일정 값 이상 높이면 과도하게 냉각되어 온도가 떨어지면서 네트 출력도 줄어드는 단점이 있다. 도 4의 오른쪽 하단의 도면은 최적의 온도를 유지하는 듀티비 맵을 표시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 최대 네트 출력 맵과 최적 온도 맵을 혼합한 새로운 듀티비 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이 저출력 구간에서는 최적 온도 맵을, 고출력 구간에서는 최대 네트 출력 맵을, 혼합하여 새로운 듀티 비 맵을 적용한다.
이러한 듀티비 맵을 적용하였을 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 과산소 공급 비율(Oxygen Excess Ratio)은 1 이상이 되므로, 공기 결핍 현상에 의한 연료전지의 성능 저하 또는 연료전지 시스템의 셧-다운과 같은 현상이 없음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 최적 네트 파워 맵을 이용하여 실제 연료전지를 구동하였을 때 부하 변동에 따른 공기 과급율을 비교한 그래프이다.
이때 도 6에서 점선으로 도시된 기준(reference)은, 본 실시예에서 제안한 알고리즘을 사용할 경우, 외부 출력에 따른 듀티비 값(즉 공기 과급율) 변화를 나타내며, 비례적분 제어를 적용한 결과 녹색선과 같이 듀티비 값을 잘 추종함을 알 수 있다.
또한 도 6에 도시된 바와 같이, 공기 부족현상을 일으키지 않도록, 공기 과급율(Oxygen Excess Ratio) 값이 모든 구간에서 1을 초과함을 알 수 있으며, 이로부터 연료전지의 운전이 원활함을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 과온도 방지와 최적의 출력을 구하는 듀티비 그래프로서, 본 실시예에 따른 방법을 적용하였을 경우의 네트 출력을 비교한 그래프이다.
도 7에서 파란색 선은 최대 출력을 나타내는 네트 출력선이고, 빨간색 선은 과온도 방지를 적용한 네트 출력선이며, 노란색 선은 본 실시예에서 제안한 과온도 방지와 최적의 출력을 뽑아내는 듀티비 맵을 적용한 네트 출력 값을 표시한 출력선이다.
도 7을 참조하면, 저출력 구간에서는 큰 차이가 없음을 알 수 있지만 출력이 커질수록 본 실시예에서 제안한 듀티비 맵을 적용한 네트 출력값이 과온도 방지 네트 출력 값보다 출력이 높음을 알 수 있으며, 도 3의 듀티비를 사용하여 얻은 최대 출력값을 나타내는 네트 출력 값에 비해 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 세 가지의 방법으로 팬 모터를 구동하였을 때의 온도 변화를 보여주는 그래프이며, 이에 도시된 바와 같이 파란색인 최대 출력 맵은 온도가 계속 상승하여 연료전지 적정 외부온도인 30oC를 훨씬 초월하여 50oC 이상 온도가 올라감을 알 수 있으며, 이 경우 멤브레인 내부의 수분이 증발하여 멤브레인 막의 저항값이 증가함으로 연료전지의 출력이 급격히 떨어짐을 예상할 수 있으며, 장시간 이런 현상이 지속될 경우 연료전지 수명에 치명적인 영향을 끼칠 수 있다.
그러나 본 실시예에 따른 최적 출력 듀티비 맵을 사용할 경우, 온도가 30oC 부근에서 잘 제어됨을 알 수 있으므로, 본 실시예에 따른 방법을 사용함으로써 최대 네트 출력을 갖고서 장시간 연료전지를 구동할 수 있음을 알 수 있다.
도 7과 도 8을 종합하면, 도 3의 최대 출력 듀티비만 사용하였을 경우 최대 네트 출력을 얻을 수 있지만, 장시간 사용 시 도 8에 도시된 바와 같이 온도가 올라가서 연료전지 수명에 악영향을 끼친다. 한편 도 4의 최적 온도 출력 듀티비만 사용하였을 경우 최적의 온도를 유지할 수 있지만 도 7에서와 같이 네트 출력이 저하됨을 알 수 있다. 그러나 본 실시예에서와 같이 최적 출력 듀티비 맵을 사용할 경우, 최대 네트 워크 출력에 근접한 출력을 얻을 수 있으며 최적 온도를 동시에 유지할 수 있기 때문에 장시간 운전이 가능함을 알 수 있다.
도 9는 본 실시예를 적용하지 않은 경우, 60W의 일정한 파워를 상용 제품에 적용할 경우 시스템이 자동 셧다운 되는 시간을 나타낸 그래프로서, 본 실시예를 적용하지 않고 단순 출력 제어를 사용하는 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 저전력 구간에서는 팬 모터(130)가 저속도로 구동되어 장시간 운전 시 결국 온도가 상승하여 2분만에 연료전지 운전이 정지(셧 다운)됨을 알 수 있다.
그러나 본 실시예를 적용하였을 경우 저전력과 고전력 구간에서 모두 셧 다운 없이 장시간 사용할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 실시예는 오픈 캐소드 타입 연료전지를 주 에너지원으로 사용하는 자동차, 항공기, 선박, 휴대폰 및 스탠드용 연료전지 시스템에서 최대 네트 출력과 온도 상승 방지 및 충분한 산소 공급을 보장할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
110 : 제어부 111 : 레퍼런스 거버너
112 : 비례적분 제어기 120 : 팬 모터 구동부
130 : 팬 모터 140 : 연료전지
150 : 수소 공급부 160 : DC/DC 컨버터
170 : 부하

Claims (10)

  1. 오픈 캐소드 타입 연료전지 시스템의 연료전지에 공기를 공급하는 팬 모터;
    제어부의 제어에 따라 펄스폭 변조 방식으로 상기 팬 모터의 속도를 제어하는 팬 모터 구동부; 및
    상기 연료전지의 운영 환경에 맞게 상기 팬 모터의 속도를 상기 팬 모터 구동부를 통해 가변하는 상기 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    팬 모터 구동부를 통합할 수 있으며,
    펄스폭을 크게 하여 상기 팬 모터의 속도를 빨라지게 하거나,
    펄스폭을 작게 하여 상기 팬 모터의 속도가 줄어들게 하는 것을 특징으로 하는 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제어부는,
    연료전지의 전류 변화에 따른 온도 조건을 만족하면서 최대의 네트 파워를 출력하기 위해 필요한 과산소 비율을 계산하는 레퍼런스 거버너; 및
    연료전지 시스템에서 출력되는 실제 과산소 비율(
    Figure pat00058
    )을 측정한 값을 피드백 받아서 상기 레퍼런스 거버너에서 계산된 과산소 비율로 연료전지에 산소를 공급하기 위한 공기 속도(
    Figure pat00059
    )를 계산하여 상기 팬 모터를 작동시키는 비례적분 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제어부는,
    최대의 네트 파워를 출력하기 위해 필요한 과산소 비율을 계산하기 위하여,
    아래의 수학식1과 같은 유량 방정식을 적용하는 것을 특징으로 하는 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치.
    (수학식 1)
    Figure pat00060

    여기서
    Figure pat00061
    은 연료전지 캐소드에 공급되어지는 전체 유동물질의 시간 변화율이고(kg/s),
    Figure pat00062
    는 유입 산소량의 변화율,
    Figure pat00063
    는 유입 질소량의 변화율,
    Figure pat00064
    는 유입 수분 량의 변화율을 의미한다. 그리고 유입 공기의 변화율
    Figure pat00065
    은 유량센서로 측정된 값이다.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 측정된
    Figure pat00066
    로부터 유입 산소량의 변화율을 아래의 수학식2를 이용해 계산하는 것을 특징으로 하는 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치.
    (수학식 2)
    Figure pat00067

  6. 제 3항에 있어서, 상기 제어부는,
    아래의 수학식 3을 이용해 과산소 비율(
    Figure pat00068
    )을 계산하는 것을 특징으로 하는 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치.
    (수학식 3)
    Figure pat00069

    이때
    Figure pat00070
    는 출력 파워를 내는데 필요한 산소량 변화율이다.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 제어부는,

    연료전지에 인가되는 전류 값(
    Figure pat00071
    )으로부터 아래의 수학식 4를 이용해 산소량 변화율(
    Figure pat00072
    )을 계산하는 것을 특징으로 하는 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치.
    (수학식 4)
    Figure pat00073

    여기서
    Figure pat00074
    는 산소의 몰질량,
    Figure pat00075
    는 연료전지 하나의 셀에 걸리는 전류, F는 패러데이 상수, n은 셀의 개수를 의미한다.
  8. 제 3항에 있어서, 상기 제어부는,
    연료전지의 온도 제어를 위하여, 아래의 수학식 5를 이용한 오픈 캐소드 타입 연료전지의 열 모델링를 실시하는 것을 특징으로 하는 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치.
    (수학식 5)
    Figure pat00076

    여기서 m은 연료전지 질량, c는 비열, T는 온도,
    Figure pat00077
    는 라디에이션으로 방출되는 에너지,
    Figure pat00078
    은 팬 모터(130)를 통해 냉각되어지는 에너지를 표시하며,
    Figure pat00079
    는 수소 고위발열량으로부터 생성되는 이상(ideal) 에너지에서 실제(real) 생성되는 에너지의 차를 의미한다.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 수소 고위발열량으로부터 생성되는 이상(ideal) 에너지에서 실제(real) 생성되는 에너지의 차(
    Figure pat00080
    )를 아래의 수학식 6을 이용해 산출하는 것을 특징으로 하는 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치.
    (수학식 6)
    Figure pat00081

    여기서 I는 스택의 전류, E th 는 Nernst 전압, V st 는 스택의 전압을 의미한다.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 Nernst 전압을 아래의 수학식 7을 이용해 산출하는 것을 특징으로 하는 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치.
    (수학식 7)
    Figure pat00082

    여기서 P H2 와 P O2 는 각각 스택 내의 수소와 산소의 분압을 의미한다.
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