KR20200032313A - 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

산소 센서를 구비한 연료전지 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 연료전지의 애노드 입구측 및 출구측 부분에 산소 센서를 장착하고, 주행 중 또는 주차 중에 산소 센서의 신호에 기초하여 애노드측의 불필요한 산소를 제거하기 위한 연료전지 시스템의 제어를 수행함으로써, 역전압에 의한 연료전지 셀의 비가역적 열화 모드에서도 정상적인 차량 주행을 도모할 수 있고, 주차 중 외부 공기(산소)의 캐소드 내 유입 및 애노드로의 이동(crossover)으로 인한 비가역적 열화에 대해서도 대응 가능하여 연료전지 및 차량의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

Description

산소 센서를 구비한 연료전지 시스템 및 그 제어 방법{Fuel cell system provided with oxygen sensor and method for controlling the same}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 역전압에 의한 연료전지 셀의 비가역적 열화 모드에서도 정상적인 차량 주행을 도모할 수 있고, 주차 중 외부 공기(산소)의 캐소드 내 유입 및 애노드로의 이동으로 인한 비가역적 열화에 대해서도 대응 가능하여 연료전지 및 차량의 내구성을 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료 가스와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전 장치로서, 산업용 및 가정용, 차량용 전원으로 널리 이용되고 있고, 소형의 전기/전자제품이나 휴대기기의 전력을 공급하는 데에도 이용될 수 있다.
현재 차량용 연료전지로는 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)가 가장 많이 이용되고 있으며, 이는 연료전지 차량에서 차량을 구동하는 모터와 각종 전기장치에 전력을 공급하는 동력원(전력원)으로 이용되고 있다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 연료 가스로 수소를 사용하고, 산화제 가스로 산소 또는 산소가 포함된 공기를 사용한다.
고분자 전해질막 연료전지가 차량의 다양한 운전 조건에서 최소 수십 kW 이상의 높은 출력 성능을 내려면 넓은 전류밀도 범위에서 안정적으로 작동 가능해야 한다.
연료전지는 연료 가스와 산화제 가스를 반응시켜 전기에너지를 생성하는 단위 셀(unit cell)을 포함하고, 통상적으로 출력 요구 수준을 충족시키기 위해 복수 개의 셀을 적층 및 직렬로 연결하여 조립한 스택(stack) 형태로 사용되고 있다.
차량용 연료전지의 경우에도 높은 출력이 요구됨에 따라 전기에너지를 개별적으로 생성하는 단위 셀들을 스택 형태로 적층하여 그 요건을 충족시키고 있다.
고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)의 단위 셀 구성을 살펴보면, 가장 안쪽으로 위치되는 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 가스인 연료 가스와 산화제 가스를 막전극접합체에 공급하고 생성된 전기에너지를 전달하는 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 가스 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓(gasket) 및 체결기구, 그리고 반응 가스 및 냉각수를 이동시키는 분리판(separator 또는 bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
이러한 연료전지의 단위 셀을 구성하는 부품들 중, 막전극접합체(MEA)는, 수소 이온을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 고분자 전해질막의 양면에 부착되고 연료 가스인 수소와 산화제 가스인 공기(산소)가 반응할 수 있도록 해주는 촉매가 도포된 전극인 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)로 구성되어 있다.
상기 막전극접합체(MEA)의 바깥 부분, 즉 애노드 및 캐소드의 바깥 부분에는 연료 가스와 산화제 가스를 고르게 분포시키기 위한 가스확산층(GDL)이 적층되고, 가스확산층의 바깥쪽에는 반응 가스와 냉각수, 반응에 의해 생성된 물이 흐르는 유로(flow field)를 제공하면서 반응 가스를 가스확산층으로 공급하는 분리판이 접합되어 위치된다.
또한, 단위 셀을 구성하는 부품 사이에 유체의 기밀(seal)을 위한 가스켓 등이 개재되도록 적층되고, 이 가스켓은 막전극접합체 또는 분리판에 일체로 성형된 상태로 제공될 수 있다.
이러한 구성을 단위 셀로 하여 복수 개의 셀을 적층한 뒤, 가장 바깥쪽에는 셀들을 지지하기 위한 엔드 플레이트를 결합하고, 스택 체결기구를 이용하여 엔드 플레이트와 셀들을 함께 체결해줌으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지의 전기 생성을 위한 전기화학 반응을 살펴보면, 연료전지의 산화극인 애노드에 공급된 수소가 수소 이온과 전자로 분리된 후, 수소 이온은 고분자 전해질막을 통해 환원극인 캐소드 쪽으로 이동한다.
이때, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하고, 이렇게 외부 회로를 통해 이동하는 전자의 흐름으로 전류가 생성될 수 있게 된다.
또한, 캐소드에서는 산소 분자와 수소 이온 및 전자가 함께 반응하여 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물을 생성한다.
연료전지 내에서 전기화학 반응시 생성되는 물은 적절한 양이 존재할 경우 막전극접합체의 가습성을 유지시키는 바람직한 역할을 하지만, 과량으로 발생한 경우 적절히 제거해 주지 않으면 높은 전류밀도에서 물 범람 현상인 플러딩(flooding)을 초래한다.
플러딩 현상 발생시 과량의 물은 반응 가스들이 연료전지 셀 내부로 효율적으로 공급되는 것을 방해하는 역할을 하여 전압 손실을 더욱 증가시킨다.
그 밖에 연료전지의 셀 성능을 저하시키는 현상으로 열화 현상을 들 수 있다.
한편, 연료전지 차량(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)의 주행 중에 연료전지 스택 내 일부 셀의 전압이 하강하는 경우, 종래에는 전류 제한을 시작하고, 동시에 애노드 퍼지, 수소 공급량 증대, 수소 공급압력 증대, 공기 공급량 증대, 공기 공급압력 증대 중 하나 또는 둘 이상을 실시하여 차량의 정상 주행을 유도하다가, 이후 일부 셀 전압의 하강 현상이 더 심화되면 연료전지 스택의 출력 전류를 더 낮은 수준으로 제한하게 된다.
이와 같이 종래에는 소정의 제어 로직을 통해 정상적 주행 유도를 위한 시스템 차원의 제어를 하며, 이때 셀 전압이 저하되는 정도를 판단하기 위해 평균 셀 전압과 최소 셀 전압으로부터 구해지는 R 값을 이용한다.
상기 R은 셀 전압이 저하되는 정도를 나타내는 것으로, 연료전지 차량에서 전류 제한의 판단 근거로 활용되며, 아래의 식으로 계산될 수 있다.
R = Vmin / Vavg
여기서, Vmin은 최소 셀 전압을 나타내고, Vavg는 평균 셀 전압을 나타내며, R 값이 작아질수록 최소 셀 전압(Vmin)과 평균 셀 전압(Vavg)의 편차가 커지는 것을 의미한다.
종래의 제어 로직에서는 R 값이 설정값(R3) 이상일 경우(R3≤R≤1), 시스템에서 허용하는 정상 전류 범위에서 연료전지를 운전하고 차량을 정상 주행시키지만, 상기 R 값이 설정값(R3)보다 낮아질 경우(R2<R<R3, R2<R3 임) 전류 제한 모드로 진입하여 사용 가능한 최대 전류를 낮추는 전류 제한을 실시함과 동시에, 애노드 퍼지, 수소 공급량 증대, 수소 공급압력 증대, 공기 공급량 증대, 공기 공급압력 증대 중 하나 또는 둘 이상을 실시한다.
이후, 셀 편차가 더 증가하는 경우, 즉 R 값이 더 낮아지는 경우(R1<R≤R2, R1<R2 임), 셀 전압 회복을 위해 사용 가능한 최대 전류를 더욱 낮추게 되며, 이때 사용 가능한 최대 전류를 R 값이 낮을수록 일정 기울기로 감소시킨다.
또한, R 값이 더 낮아지면(R≤R1), 셀 전압 편차가 극심한 경우이므로 차량을 정지 상태로 유도한다.
이와 같이 연료전지 차량에서는 셀 전압 편차 정도를 나타내는 R 값에 따라 사용 가능한 최대 전류를 변화시키는 전류 제한 모드가 수행된다.
한편, 상기한 종래의 제어 로직은 연료전지 스택 내에 물이 축적되거나 고임으로써 반응 가스들(수소 및 공기)의 흐름을 방해하여 셀 성능이 감소하는 플러딩(flooding) 현상과 같이, 가역적으로 셀 성능이 회복될 수 있는 경우에는 적용 가능하나, 비가역적 열화 모드에서는 적용하는데 한계가 있다.
대표적인 비가역적 열화 모드인 역전압(cell voltage reversal) 문제는, 연료전지 내 물 범람 현상인 플러딩, 동절기의 얼음 생성이나 수소공급장치의 이상과 같은 다양한 원인으로 인해, 연료전지의 애노드에서 연료로 사용되는 수소가 부족해지는 것(hydrogen fuel starvation) 때문에 발생한다.
그리고, 연료전지 내 셀에서 발생하는 역전압은 연료전지 셀 성능에 매우 치명적인 악영향을 미쳐 셀 전압을 크게 감소시키는 것으로 알려져 있다[Bo Ki Hong et al., Journal of Power Sources 328 280-288 (2016); Shanna D Knights et al., Journal Power Sources, 127, 127-134 (2004)].
일반적으로 연료전지의 수소 부족 현상은 크게 연료전지 셀 전체적으로 수소 공급이 부족해지는 '전체적인 수소 부족(overall hydrogen starvation)' 현상과, 셀 전체적인 수소 공급은 충분하나 불균일한 분배(uneven distribution)로 인해 부분적으로 수소 공급이 부족해지는 '국부적인 수소 부족(local hydrogen starvation)' 현상으로 분류할 수 있다.
이러한 수소 부족 현상은 특히 수소 가스의 불균일한 공급 및 분배, 연료전지에 대한 갑작스러운 부하(load) 요구량 증가, 연료전지 시동(start-up) 등의 운전 조건에서 자주 발생한다.
이와 같이 연료전지의 셀에서 애노드에 수소가 부족한 경우에는 애노드 전압 (Vanode)이 증가하고, 계속해서 애노드 전압이 증가하면 결국 애노드 전압이 캐소드 전압(Vcathode)에 비해 더욱 증가하여 셀 전압(Vcell)이 0 보다 작아지는 역전압 상태에 이르게 된다(Vcell = Vcathode - Vanode < 0).
또한, 애노드 전압 증가에 의한 역전압 상태에서는 하기 반응식 [1]과 같은 물 전기분해(water electrolysis) 반응이 먼저 발생한다[T. R. Ralph and M. P. Hogarth, Platinum Metal Review, 46, 117-135 (2002)].
H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2e-, Eo = 1.229 V (vs. SHE) [1]
여기서, Eo는 표준 전극 전위(standard electrode potential)을 나타내고, SHE는 표준 수소 전극(Standard Hydrogen Electrode)을 나타낸다.
그러나, 이후에도 애노드 전압이 계속 증가하면 하기 반응식 [2]와 [3]과 같이 애노드에서의 탄소 부식 반응이 가속화된다.
C + 2H2O → CO2 + 4H+ + 4e-, Eo = 0.207 V (vs. SHE) [2]
C + H2O → CO + 2H+ + 2e- , Eo = 0.518 V (vs. SHE) [3]
이러한 셀 역전압 상태가 지속되어 셀 전압이 약 -2 V 미만이 되는 과도한 역전압 상태에 도달하게 되면, 연료전지 셀의 발열이 과다해져서 막전극접합체(MEA) 및 가스확산층(GDL) 등을 전반적으로 파손시키며, 특히 막전극접합체에 핀홀(pin-hole)이 발생하고, 결국 셀이 전기적으로 단락되는(electrically shorted) 심각한 문제들이 야기될 수 있다.
이렇게 되면 더 이상 연료전지 셀을 정상적으로 운전할 수 없는 셀 고장(cell failure) 상태에 도달하게 된다.
셀 고장 상태를 초래할 수 있는 전체적인 수소 부족 현상은 연료전지 운전 장치(Balance Of Plant, BOP) 등에서 센서를 통해 수소 공급 상태 등을 모니터링함으로써 비교적 용이하게 감지할 수 있다.
그러나, 일부 셀에서의 국부적인 수소 부족 현상은 연료전지 스택의 각 셀 전압을 스택 전압 모니터링(Stack Voltage Monitoring, SVM) 장치 등으로 면밀하게 모니터링해야만 감지할 수 있기 때문에 훨씬 많은 노력과 복잡한 제어 시스템을 요구한다.
그러므로, 역전압 상태에 도달하기 전에 연료전지 차량을 적절히 제어하여 안정적으로 운행할 수 있도록 하고, 또한 역전압에 대한 내구성이 우수한 연료전지 시스템 및 운전 제어 기술을 개발하는 것이 중요하다.
역전압에 의해 일부 셀 성능이 급락할 때 전술한 종래의 제어 로직에서와 같이 R 값에 따라 연료전지 운전 제어를 실시하더라도 연료전지에서의 비가역적인 셀 성능 저하가 발생하며, 심한 경우에는 연료전지 차량이 정지(shutdown)되어 운전자 및 탑승자의 안전을 위협할 수 있다.
또 다른 비가역적 열화로는 주차 중 외부 공기(산소)의 캐소드 내 유입 및 애노드로의 이동으로 인한 캐소드 촉매층의 탄소 부식 열화이다.
예를 들면, 차량의 연료전지 시스템에서 연료전지 스택의 캐소드 입구측에 연결된 공기공급라인이나 캐소드 출구측에 연결된 배기라인에 밸브가 설치된 경우, 연료전지 차량이 주차되어 있는 동안 밸브 내부의 틈새를 통해 외부 공기가 캐소드로 유입될 수 있다.
또한, 캐소드에 유입된 공기의 일부는 캐소드 및 전해질막을 통과하여(crossover) 애노드로 이동할 수 있다.
이러한 경우에는 연료전지의 애노드 내에 공기와 수소 연료가 함께 존재하게 되면서 공기와 수소 연료 간 경계면(air/hydrogen fuel boundary)이 형성되고, 애노드 내에서도 공기가 존재하는 영역과 수소 연료가 존재하는 영역이 나타난다.
결국, 애노드의 수소 연료가 존재하는 영역과 전해질막을 사이에 두고 위치하는 캐소드 내 공기 영역에 비해, 애노드의 공기가 존재하는 영역과 전해질막을 사이에 두고 위치하는 캐소드 내 공기 영역에서 1V 보다 훨씬 큰 고전압이 발생하고, 고전압이 발생한 부분에서 심각한 탄소 부식이 발생한다.
이는 비가역적인 열화로서, 성능 저하 및 수명 단축을 초래함은 물론 한 번 발생하면 회복이 불가능하다[Denis Bona et al., Journal of Power Sources, 127, 127-134 (2004)].
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 역전압에 의한 연료전지 셀의 비가역적 열화 모드에서도 정상적인 차량 주행을 도모할 수 있고, 주차 중 외부 공기(산소)의 캐소드 내 유입 및 애노드로의 이동(crossover)으로 인한 비가역적 열화에 대해서도 대응 가능하여 연료전지 및 차량의 내구성을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 연료전지 스택, 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 운전장치의 작동을 제어하는 제어기를 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 스택 내에 설치되어 애노드측 가스 중 산소 농도를 검출하는 산소 센서를 포함하고, 연료전지 시스템의 운전 동안, 상기 제어기는, 상기 산소 센서에 의해 검출되는 실시간 산소 농도 값과, 현재의 연료전지 스택 운전 전류에 해당하는 제1 산소 농도 기준값을 기초로 현재의 애노드측 산소 농도가 역전압 발생 가능성이 있는 정해진 조건을 만족하는지를 판단하고, 역전압 발생 가능성이 있는 정해진 조건을 만족하는 것으로 판단한 경우, 연료전지 스택의 셀에서 역전압 발생으로 인한 애노드측 열화가 방지되도록 상기 연료전지 운전장치에 대하여 애노드측 산소 농도 저감을 위한 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템을 제공한다.
그리고, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 연료전지 시스템의 운전 동안 연료전지 스택 내에 설치된 산소 센서에 의해 애노드측 가스 중 산소 농도가 검출되는 단계; 제어기가 상기 산소 센서에 의해 검출되는 실시간 산소 농도 값과, 현재의 연료전지 스택 운전 전류에 해당하는 제1 산소 농도 기준값을 기초로 현재의 애노드측 산소 농도가 역전압 발생 가능성이 있는 정해진 조건을 만족하는지를 판단하는 단계; 및 역전압 발생 가능성이 있는 정해진 조건을 만족하는 것으로 판단한 경우, 상기 제어기가 연료전지 스택의 셀에서 역전압 발생으로 인한 애노드측 열화가 방지되도록 연료전지 운전장치에 대하여 애노드측 산소 농도 저감을 위한 제어를 수행하는 단계를 포함하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템의 제어 방법을 제공한다.
이로써 본 발명에 따른 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 의하면, 산소 센서를 연료전지 스택의 애노드 입구측과 애노드 출구측에 장착하여 산소 농도를 측정하고, 측정된 산소 농도에 기초하여 연료전지 시스템에 대하여 애노드측 산소 농도를 낮추기 위한 소정의 제어를 수행함으로써, 연료전지 차량의 주행 중 셀의 역전압으로 인해 나타날 수 있는 연료전지의 비가역적 열화와 주차 중 공기 유입으로 인한 캐소드 탄소 부식을 효과적으로 저감할 수 있게 된다.
특히, 본 발명에서는 역전압시 탄소 부식 전 단계인 물의 전기분해 단계에서 생성되는 산소의 농도를 측정하여 산소 농도가 일정 수준 이상이면 비가역적 열화인 탄소 부식의 발생 전에 사전 대응을 위한 제어를 수행하여 탄소 부식이 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있게 된다.
또한, 연료전지 차량에서 주차 동안 산소 센서 없이 탄소 부식을 방지하기 위해 주기적으로 퍼지를 작동시키는 것과 비교하여, 본 발명에서는 산소 센서를 통해 측정된 스택의 애노드측 산소 농도가 기준값 이상으로 증가하였을 때에만 수소 공급 및 애노드 퍼지 작동이 이루어지도록 하므로 보다 효율적인 이점이 있고, 소모 전력 측면에서도 유리하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 연료전지 스택에 산소 센서가 설치되는 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6a, 도 6b는 본 발명의 각 실시예에 따른 스택 내 산소 센서의 설치 상태를 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 산소 센서의 센싱부 구성을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어 과정을 나타내는 순서도이다.
도 9는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어 과정에서 R 값에 따라 사용 가능한 최대 전류가 결정됨을 예시한 도면이다.
도 10은 본 발명에서 연료전지 스택 내 공기 유입시 캐소드 탄소 부식 방지를 위한 제어 과정을 수행하는 시스템의 구성도이다.
도 11은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어 과정에서 애노드 퍼지 제어 상태를 예시한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 역전압에 의한 연료전지 셀의 비가역적 열화 모드에서도 정상적인 차량 주행을 도모할 수 있고, 주차 중 외부 공기(산소)의 캐소드 내 유입 및 애노드로의 이동(crossover)으로 인한 비가역적 열화에 대해서도 대응 가능하여 연료전지 및 차량의 내구성을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 차량의 주행 중에 발생하는 역전압으로 인한 애노드 전극의 열화와 연료전지 차량의 주차 중 애노드에서의 공기/수소 연료 간 경계면 형성으로 인해 발생하는 캐소드 전극의 열화를 효과적으로 방지할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
이를 위해, 본 발명에서는 연료전지의 애노드 입구측 및 출구측 부분에 산소 센서를 장착하고, 애노드에서 수소 부족에 의한 역전압 발생시 탄소 부식 반응의 진행 전에 물 전기분해 반응의 부산물인 산소를 산소 센서를 통해 신속하게 감지하여 수소 부족 문제를 회피하기 위한 제어를 수행함으로써 탄소 부식 반응이 진행되는 것을 방지하게 된다.
또한, 본 발명에서는 주차 동안 애노드에 존재할 수 있는 가스 중 산소 농도를 산소 센서를 통해 신속하게 검출하여 공기/수소 연료 간 경계면의 형성이 심화되기 전에 애노드 내 수소를 퍼지함으로써 잔존 산소를 셀 외부로 배출시키는 제어를 수행한다.
이러한 본 발명은 연료전지 스택의 각 셀에 근접되게 산소 센서를 설치한 것, 그리고 상기 설치된 산소 센서의 신호에 기초한 시스템 제어를 수행하는 것에 주된 특징이 있다.
보다 상세하게는, 본 발명은 연료전지 스택 내 애노드 입구측과 출구측 부분에 설치된 산소 센서의 신호에 기초하여 차량 주행 중 애노드 내 수소 부족 및 주차 중 산소 잔존 문제를 회피하기 위한 시스템 제어를 수행하여 셀의 열화 발생을 미연에 방지하는 것에 주된 특징이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예로서 연료전지 스택의 애노드 입구 및 출구 부분에 산소 센서를 장착한 연료전지 시스템의 구성도로서, 이를 참조하여 본 발명에 대해 설명하면 다음과 같다.
도시한 바와 같이, 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은, 반응 가스(즉 연료 가스인 수소와 산화제 가스인 공기 중 산소)의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 생성하는 연료전지 스택(10), 연료전지 스택(10)에 연료 가스인 수소를 공급하는 수소공급장치(20), 연료전지 스택(10)에 산화제 가스인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치(30), 연료전지 스택(10)의 운전 온도를 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템(40), 그리고 상기 수소공급장치(20) 및 공기공급장치(30)를 포함하는 연료전지 운전장치와 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기(60)를 포함한다.
여기서, 수소공급장치(20)는 수소탱크(21), 압력 레귤레이터(22), 수소공급밸브(23), 수소 재순환 장치 등을 포함하고, 공기공급장치(30)는 공기블로워(31), 가습기(32) 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템(40)은 전동 물 펌프(냉각수 펌프)(41), 리저버(42), 라디에이터(43), 3-웨이 밸브(44), 워터 트랩(46) 등을 포함한다.
수소공급장치(20)에서는 수소저장부인 수소탱크(21)로부터 공급되는 고압의 수소가 압력 레귤레이터(22)와 수소공급밸브(23)를 거치면서 적정 압력으로 조정된 후 연료전지 스택(10)에 공급된다.
이때, 수소 재순환 장치는 이젝터(24)나 재순환 블로워(25)를 이용하여 연료전지 스택(10)의 애노드에서 배출되는 미반응 수소를 애노드로 재순환시키며, 이에 애노드에는 수소탱크(21)로부터 공급되는 새로운 수소와 재순환 장치에 의해 재순환되는 재순환 가스가 혼합되어 공급된다.
수소 재순환 장치는 연료전지 스택(10)에서 사용하고 남은 미반응 수소의 재사용을 도모하기 위한 것으로, 연료전지 스택(10)의 애노드 출구측에 연결된 애노드 출구측 배기라인(L2)과 애노드 입구측으로 연결된 수소공급라인(L1) 사이를 재순환 라인(L3)으로 연결하고, 재순환 라인(L3)에 이젝터(24)나 재순환 블로워(25), 또는 이젝터(24)와 재순환 블로워(25)를 함께 설치하여 구성한다.
공기공급장치(30)는 공기블로워(31)에 의해 공급되는 공기를 가습기(32)에서 가습한 뒤 연료전지 스택(10)의 캐소드로 공급하도록 구성되고, 가습기(32)에서는 연료전지 스택(10)의 캐소드에서 배출되는 습윤 공기와 캐소드로 공급되는 건조 공기 사이의 수분 교환에 의해 공기의 가습이 이루어지도록 한다.
열 및 물 관리 시스템(40)은 스택 온도를 제어하기 위한 장치를 포함하고, 이는 냉각수 순환을 위한 전동 물 펌프(41), 냉각수가 저장되는 리저버(42), 냉각수의 열을 방출하기 위한 라디에이터(43), 냉각수가 라디에이터(43)에 선택적으로 흐를 수 있도록 냉각수의 유동을 제어하는 3-웨이 밸브(44)를 포함한다.
또한, 물 관리를 위한 워터 트랩(46)은 연료전지 스택(10)의 애노드 출구측에 설치되어 연료전지 스택의 애노드에서 배출되는 물을 저장하며, 워터 트랩(46)의 출구측에는 드레인 밸브(47)가 설치된다.
상기 드레인 밸브(47)는 워터 트랩(46)에 저장된 물을 배출하기 위해 개방되는 밸브이다.
또한, 연료전지 스택(10)의 애노드 출구측 배기라인(L2)에는 퍼지 밸브(26)가 설치된다.
연료전지 스택(10)의 운전 동안 캐소드에 공급된 공기 중의 질소와 캐소드에서 생성된 생성수(물 및 수증기)는 스택 내부의 전해질막을 통해 크로스오버(crossover)되어 애노드측으로 이동해 오는데, 애노드 출구측 배기라인(L2)에 설치된 퍼지 밸브(26)를 주기적으로 개방하는 퍼지 작동을 통하여 불순물인 질소, 물 및 수증기 등의 이물질을 제거하게 된다.
또한, 연료전지 스택(10)의 캐소드 입구측에 연결된 공기공급라인(L5)과 캐소드 출구측에 연결된 배기라인(L4)에는 연료전지 스택(10)의 내구성 향상을 위한 차단 밸브(33,34)가 설치된다.
상기 차단 밸브(33,34)는 연료전지 시스템의 셧다운(shutdown) 및 차량 주차 중 공기공급라인(L5)과 캐소드 출구측 배기라인(L4)의 유로를 폐쇄하여 스택 내 캐소드로의 공기 유입을 차단한다.
상기 연료전지 시스템에서 제어기(60)는 각 밸브의 작동을 제어하고, 공기블로워(31)나 재순환 블로워(25), 전동 물 펌프(41) 등의 작동을 제어하며, 산소 센서(51,52)의 신호를 입력받는다.
상기 산소 센서(51,52)는 연료전지 스택(10)을 밀봉하는 스택 인클로우져(stack enclosure)(11)의 내부에 설치될 수 있고, 연료전지 스택(10)의 애소드 입구측과 출구측 부분에 모두 설치될 수 있다.
본 발명에서 산소 센서(51,52)의 종류에 특별한 제한은 없으나, 적용 가능한 산소 센서의 종류로 반도체식 산소 센서와 연소식 산소 센서 등을 들 수 있다.
반도체식 산소 센서에서 산소를 흡착 및 탈착하는 물질로는 이산화티타늄(Titanium Dioxide, TiO2), 스트론튬티탄 산화물(Strontium Titanium Oxide, SrTiO3), 갈륨 산화물(Gallium(Ⅲ) Oxide, Ga2O3), 세륨 산화물(Cerium Oxide, CeO2) 등의 산화물이 사용될 수 있고, 이 중 1종 또는 2종 이상을 사용한 산소 센서가 적용될 수 있다.
또한, 연소식 산소 센서에서 연소 촉매로는 팔라듐(Palladium, Pd), 백금(Platinum, Pt) 등을 사용할 수 있는데, 이 중 1종 또는 2종 이상을 사용한 산소 센서가 적용될 수 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 산소 센서(51,52)를 애노드 입구측 부분과 출구측 부분에 설치하고, 산소 센서(51,52)의 신호에 기초하여 연료전지 차량의 주행 중 역전압 열화에 대한 사전 대응을 위한 제어(애노드 열화 방지를 위한 제어)와, 연료전지 차량의 주차 중 스택 내부로 공기가 유입되었을 때의 캐소드 탄소 부식 방지 대응을 위한 제어(캐소드 열화 방지를 위한 제어)가 수행된다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 연료전지 스택에 산소 센서가 설치되는 상태를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서 산소 센서(51,52)는 연료전지 스택(10)의 애노드 출구측 부분에 설치될 수 있고, 더욱 바람직하게는 도 1에 개략적으로 예시한 바와 같이 애노드 출구측 부분에 더하여 애노드 입구측 부분에도 설치될 수 있다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에서 산소 센서(51,52)는 연료전지 스택(10)의 애노드 입구측 부분과 출구측 부분에 모두 설치될 수 있으며, 각 산소 센서(51,52)가 출력하는 전기적인 신호, 즉 산소 센서(51,52)의 산소 검출 신호가 제어기(60)로 입력될 수 있도록 각 산소 센서(51,52)와 제어기(60)가 전기적으로 접속된다.
본 발명의 실시예에서 산소 센서(51,52)는 연료전지 스택(10) 내에서도 애노드 출구측 통로 부분인 애노드 출구 매니폴드(도 6a 및 도 6b에서 도면부호 111임)와, 애노드 입구측 통로 부분인 애노드 입구 매니폴드에 길게 삽입되도록 설치될 수 있다.
여기서, 애노드 출구 매니폴드(111)와 애노드 입구 매니폴드(미도시)는 연료전지 스택(10)에서 셀들의 분리판들이 적층됨으로써 각 분리판에 형성된 매니폴드 홀이 셀 적층방향을 따라 서로 연결되어서 형성하는 연속된 하나의 가스 통로를 의미한다.
상기 애노드 입구 매니폴드는 각 셀에 수소 가스를 분배하는 스택 내 애노드 입구측 통로이고, 상기 애노드 출구 매니폴드(111)는 셀을 통과한 애노드측 배기가스가 모이는 스택 내 애노드 출구측 통로이다.
보다 상세하게는, 상기 애노드 입구 매니폴드는 연료전지 스택(10)에서 각 셀의 애노드 채널로 공급 및 분배되기 전의 수소가 통과하도록 된 입구측 통로이고, 애노드 출구 매니폴드(111)는 연료전지 스택(10)에서 각 셀의 애노드 채널을 통과하고 나온 반응 후 가스가 통과하도록 된 출구측 통로이다.
이와 같이 본 발명의 실시예에서는, 도 2 내지 도 4에서 볼 수 있듯이, 애노드 입구측 통로인 애노드 입구 매니폴드의 내부 통로를 따라서 산소 센서(51,52)가 길게 삽입되어 설치될 수 있고, 애노드 출구측 통로인 애노드 출구 매니폴드(도 6a 및 도 6b에서 도면부호 111임)의 내부 통로를 따라서 산소 센서(51,52)가 길게 삽입되어 설치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 내부에 산소 센서가 설치된 연료전지 스택(10)을 도시한 사시도로서, 연료전지 스택(10)을 구성하는 각 셀(단위 셀)은, 고분자 전해질막의 양면에 애노드 전극과 캐소드 전극이 접합된 막전극접합체(MEA), 상기 막전극접합체 양측의 애노드 전극와 캐소드 전극의 바깥 표면에 각각 접합되는 가스확산층(GDL), 상기 양측 가스확산층의 바깥표면에 적층되는 애노드 분리판과 캐소드 분리판, 그리고 이러한 셀 부품 사이의 씰링을 위해 적층 개재되는 가스켓 등을 포함하여 구성된다.
통상의 연료전지 스택(10)에서는 상기와 같은 구성의 셀들이 적층되어 있는 적층체(110)의 가장 바깥쪽 양단에 셀들을 지지하기 위한 엔드 플레이트(121,122)가 결합되어 있으며, 본 발명의 실시예에서 산소 센서(51,52)는 스택(10) 내 애노드 출구측 통로와 애노드 입구측 통로 내에 길게 삽입되어 설치되되, 양단부가 상기 엔드 플레이트(121,122)에 결합 및 지지되도록 설치될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에서 산소 센서(51,52)는, 상기와 같이 연료전지 스택(10) 내 애노드 입구측 통로(즉 애노드 입구 매니폴드)와 애노드 출구측 통로(즉 애노드 출구 매니폴드)를 따라 길게 삽입되어서 설치될 수 있고, 이때 각 양단부가 엔드 플레이트(121,122)에 결합 및 지지되도록 설치될 수 있다.
결국, 산소 센서(51,52)는 애노드 입구측 통로와 애노드 출구측 통로에서 셀 적층방향을 따라 길게 삽입된 상태가 되며, 이때 양단의 엔드 플레이트(121,122) 사이에 적층되어 있는 셀들을 차례로 통과하는 형태가 되도록 애노드 입구측 통로와 애노드 출구측 통로를 따라서 길게 배치된다.
이와 같이 애노드 입구측 통로와 애노드 출구측 통로 내에 산소 센서(51,52)가 설치됨에 따라 각 통로 공간 중 산소 센서가 점유하고 있지 않은 빈 공간이 실제 가스가 통과하는 유로 공간이 된다.
본 발명의 실시예에서 산소 센서(51,52)는 애노드 입구측 통로와 애노드 출구측 통로에 길게 삽입될 수 있도록 긴 형상을 가지며, 산소 센서(51,52)의 양단부에는 엔드 플레이트(121,122)와의 결합, 센서 지지 및 센서 조립시의 가이드를 위한 결합핀(53,54)이 형성되고, 각 산소 센서(51,52)의 일단부에는 센서 신호(검출 신호)의 출력을 위한 와이어(55)가 설치된다.
본 발명의 실시예에서 산소 센서(51,52)는 각 통로 내에 길게 삽입된 상태에서 양단부의 결합핀(53,54)이 양단의 엔드 플레이트(121,122)에 형성된 핀홈(122b)에 삽입되어 결합되고, 상기 와이어(55)는 두 엔드 플레이트(121,122) 중 하나의 와이어 관통홀(122a)을 통해 외부와 연결된다.
연료전지 스택(10)에서 양단의 엔드 플레이트(121,122) 중 일측 엔드 플레이트(121)에는, 셀 적층체(110)의 애노드 입구 매니폴드와 애노드 출구 매니폴드(111), 캐소드 입구 매니폴드와 캐소드 출구 매니폴드, 냉각수 입구 매니폴드와 냉각수 출구 매니폴드에 각각 연통되는 수소 입구홀(124a)과 수소 출구홀(123a), 공기 입구홀(123c)과 공기 출구홀(124c), 냉각수 입구홀(123b)과 냉각수 출구홀(124b)이 형성되며, 반대쪽 타측 엔드 플레이트(122)에는 이러한 입, 출구홀이 형성되지 않는다.
이때, 상기 일측의 엔드 플레이트(121)에서 수소 입구홀(124a)과 수소 출구홀(123a)은 공기 입구홀(123c) 및 공기 출구홀(124c)과 달리 사각 홀 영역 중 일부가 막혀 있는 구조로 되어 있고, 이렇게 막혀 있는 부분에 상기 핀홈(122b)이 형성된다.
또한, 상기 타측의 엔드 플레이트(122)에는 핀홈(122b)과 와이어 관통홀(122a)이 형성되며, 결국 산소 센서(51,52)의 결합핀(53,54)이 양측 엔드 플레이트(121,122)의 핀홈(122b)에 삽입된 상태로 결합되고, 이에 산소 센서(51,52)가 각 통로 내 정해진 위치에 놓이도록 고정 및 지지된다.
또한, 산소 센서(51,52)의 와이어(55)는 엔드 플레이트(122)에 관통 형성된 와이어 관통홀(122a)에 관통 삽입되며, 와이어 관통홀(122a)을 통해 외부로 노출된 와이어 부분이 도선을 통해 제어기(60)와 접속된다.
바람직한 실시예에서, 산소 센서(51,52)의 와이어(55)가 삽입되어 관통하는 엔드 플레이트(122)의 와이어 관통홀(122a)에는 와이어(55)와 홀 사이의 기밀을 유지하기 위한 씰링(sealling) 부재가 설치될 수 있다.
이와 같이 씰링 부재(122c)에 의해 기밀이 유지되도록 함으로써 연료전지 스택 내부의 다습한 환경에서 산소 센서(51,52)의 와이어(55)와 전기연결부에 영향을 주는 요소를 배제하면서 산소 센서(51,52)와 제어기(60) 사이를 전기 접속할 수 있다.
도 3 및 도 4는 셀 적층체(110)를 제거한 상태로 스택 양단의 엔드 플레이트(121,122)에 산소 센서(51,52)가 결합되는 구조를 도시한 도면으로, 산소 센서(51,52)의 양단부에 형성된 결합핀(53,54)이 양측 엔드 플레이트(121,122)의 핀홈(122b)에 각각 삽입됨을 보여주고 있다.
또한, 산소 센서(51,52)의 일단부에 형성된 외부 접속용 와이어(55)가 엔드 플레이트(122)의 와이어 관통홀(122a)을 통과하여 도선을 통해 제어기(60)에 전기 접속됨을 보여주고 있다.
도 5 및 도 6a, 도 6b는 본 발명의 각 실시예에 따른 스택 내 산소 센서의 설치 상태를 예시한 것으로, 도 6a 및 도 6b은 도 5의 선 'A-A'를 따라 취한 단면도이다.
도면부호 111은 애노드 출구측 통로인 애노드 출구 매니폴드를 나타내고, 도면부호 112는 냉각수 입구 매니폴드를 나타내며, 도면부호 113은 캐소드 입구 매니폴드를 나타낸다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 연료전지 스택(10)에서 셀 적층체(110)의 수소 통로, 즉 애노드 출구측 통로인 애노드 출구 매니폴드(111)에 산소 센서(즉 제1 산소 센서)(52)가 삽입되어 설치될 수 있고, 이에 더하여 애노드 입구측 통로인 애노드 입구 매니폴드에도 산소 센서(즉 제2 산소 센서)(51)가 삽입되어 설치될 수 있다.
도 6a는 일체의 긴 센싱부(52a)를 가지는 산소 센서(52)를 사용한 실시예를 나타내고, 도 6b는 각각 개별 센서 소자 형태로 구비되는 복수 개의 센싱부(52a)들을 가지는 산소 센서(52)를 사용한 실시예를 나타낸다.
본 발명에서 산소 센서(51,52)는 실시간으로 빠른 산소 측정이 가능하도록 각 셀의 애노드측으로부터 최대한 근접한 위치에 설치되는 것이 바람직하고, 그래야만 역전압 방지 및 차량 주차 중 탄소 부식 방지를 위해 빠른 응답성으로 대응할 수 있다.
이를 위해, 전술한 바와 같이, 산소 센서(51,52)를 스택 내 애노드 입구측 통로(애노드 입구 매니폴드)와 애소드 출구측 통로(애노드 출구 매니폴드)(111)에 길게 삽입하여 설치할 수 있다.
이때, 일 실시예로서, 도 6a에 나타낸 바와 같이, 일체의 긴 센싱부(52a)를 가지는 산소 센서(52)를 통로(111) 내에 길게 삽입하여 설치하는 것이 가능하다.
또는 다른 실시예로서, 도 6b에 나타낸 바와 같이, 긴 막대 형상의 센서 몸체를 가지면서 각각 개별 센서 소자 형태로 구비되는 복수 개의 센싱부(52a)들이 상기 센서 몸체의 길이방향을 따라 배열되어 있는 산소 센서(52)가 사용될 수 있다.
도 6b의 실시예에서는, 센서 몸체에서 각각 개별 센서 소자 형태로 구비되는 센싱부(52a)들이, 상기 센서 몸체에 구비된 센서 내부 도선들을 통해 병렬 연결되고, 이러한 내부 도선들과 함께 산소 센서(52)의 와이어(55) 및 외부 도선을 통해, 각 센싱부(52a)들이 제어기(60)에 병렬로 접속된다.
이때, 셀별로 하나씩의 센싱부(52a)가 배치되도록 센서 몸체에 길이방향을 따라 센싱부(52a)들이 배열될 수 있는데, 센싱부(52a) 간의 간극 및 측정 간격이 확보될 수 있도록, 도 6b에 예시된 바와 같이, 센싱부(52a)들이 지그재그 형태로 배열될 수 있다.
이러한 도 6b의 실시예에서는 애노드측 산소 농도가 산소 센서(51,52) 내 병렬로 연결된 센싱부(52a)들에 의해 각 셀별로 측정될 수 있고, 각 셀에 해당하는 위치에서 산소 농도의 측정이 가능하다.
따라서, 셀 전압 모니터링과 유사하게, 제어기(60)가 애노드측 산소 농도를 각 셀별로 모니터링할 수 있게 된다.
결국, 도 6b의 실시예에 따르면, 전체 셀 중 산소 농도가 일정 수준 이상인 셀이 발생함을 정확히 판별하여 역전압 방지 및 주차 중 탄소 부식 방지를 위한 대응 제어를 수행할 수 있다.
이때, 전체 셀 중 산소 농도가 가장 높은 셀의 산소 농도, 즉 최대 산소 농도가 일정 수준 이상일 경우 주행 중 역전압 방지 및 주차 중 탄소 부식 방지를 위한 대응 제어가 수행되도록 할 수 있다.
또한, 도 6b의 실시예에 따르면, AS 측면에서도 각 셀별로 역전압 이력에 따른 관리 및 대응이 효율적으로 진행될 수 있다.
한편, 본 발명에서 산소 센서(51,52)는 애노드측 가스 중 산소 농도에 상응하는 전기적인 신호를 출력하도록 구비되는 것으로, 가스 중 산소를 검출하고 검출된 산소의 농도에 상응하는 전기적인 신호를 출력할 수 있는 형태나 종류의 것이라면 공지의 산소 센서(51,52) 중 하나가 채택 가능하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 각 산소 센서(52)의 센싱부(52a) 구성을 나타내는 단면도로서, 센싱부(52a)의 예를 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, 산소 센서(51,52)의 센싱부(52a)는, 기재(56), 기재(56) 표면에 적층 형성되는 촉매층(57), 상기 촉매층(57)의 상측으로 배치되는 산소 투과막(58), 산소 투과막(58)과 기재(56) 사이의 공간이면서 내측으로 촉매층(57)이 위치하는 공간인 센싱 공간을, 하나의 공간으로 씰링하거나, 여러 공간으로 구획함과 동시에 구획된 각 공간을 씰링하는 격벽구조물(59)을 포함할 수 있다.
여기서, 기재(56)는 산소 센서(51,52)의 몸체를 따라 길게 설치되는 것으로, 상측 표면에 촉매층(57)과 격벽구조물(59)이 적층 형성된다.
상기 격벽구조물(59)은 기재(56)의 상측 표면에 적층되도록 설치되어 산소 투과막(58)을 고정 및 지지하는 구조물이다.
도 6a의 실시예와 같이 하나의 긴 센싱부(52a)를 가지는 산소 센서(51,52)의 경우라 하더라도, 센싱부(52a) 전체에서 일체로 된 하나의 촉매층(57)을 가지거나, 전체 중 일부마다 복수의 연료전지 셀에 걸쳐 일체인 촉매층(57)을 가질 수 있다.
이때, 격벽구조물(59)의 경우 센싱부(52a) 전체를 정해진 면적의 특정 형상(예, 사각 형상)으로 구획하는 형태가 되도록 설치될 수 있다.
또한, 도 6b의 실시예와 같이 복수 개의 센싱부(52a)를 가지는 산소 센서(51,52)의 경우, 도 7의 센싱부(52a)가 하나의 센서 소자가 되고, 도시된 소자 구성의 센싱부(52a)들이 센서 몸체에 각 셀마다 하나씩 위치될 수 있도록 배열된다.
산소 센서(51,52)의 센싱부(52a)에서 산소 투과막(58)은 다습한 환경에 대한 발수성, 온도 등을 고려하여 기공이 있는 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 막인 것이 바람직하다.
또한, 반도체식 산소 센서인 경우 촉매층(57)으로는 이산화 티타늄(Titanium Dioxide, TiO2), 스트론튬티탄 산화물(Strontium Titanium Oxide, SrTiO3), 갈륨 산화물(Gallium(Ⅲ) Oxide, Ga2O3) 및 세륨 산화물(Cerium Oxide, CeO2) 등의 산화물 중 1종 또는 2종 이상이 사용될 수 있다.
또한, 촉매층(57)으로서 상기한 산화물이 단독으로 사용되거나, 실리카(Silicon Dioxide, SiO2), 알루미나(Aluminum Oxide, Al2O3) 또는 지르코니아(Zirconium Dioxide, ZrO2) 등의 담지체(support)에 상기 1종 또는 2종 이상의 산화물이 담지된 형태로 촉매층(57)이 구성될 수 있다.
연소식 산소 센서의 경우에는 촉매층(57)이 팔라듐(Palladium, Pd) 또는 백금(Platinum, Pt) 등으로 단독 구성되거나, 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 등이 실리카(Silicon Dioxide, SiO2), 알루미나(Aluminum Oxide, Al2O3) 또는 지르코니아(Zirconium Dioxide, ZrO2) 등의 담지체(support)에 담지된 형태로 촉매층(57)이 구성될 수 있다.
또한, 촉매층(57)의 형상은 필름 형태이거나 와이어 형태가 될 수 있다.
이와 같은 산소 센서(51,52)의 센싱부(52a)에서는 산소가 산소 투과막(58)을 통과하여 촉매층(57)에서 반응할 때 생성되는 전압 신호가 출력되며, 이 전압 신호가 산소 농도를 나타내는 전기적 신호가 된다.
도 7에서 계측부(61)는 산소 농도를 나타내는 전기적 신호를 입력받아 그에 따른 산소 농도 정보를 취득하는 제어기(60) 내 계측요소가 될 수 있다.
산소 농도를 산출하는 방식으로 산소가 흡착/탈착시 변화하는 저항(반도체식 산소 센서) 혹은 산소 유입으로 인한 촉매층(57)의 반응성(연소식 산소 센서)을 산출하는 방식이 있으며, 본 발명에서는 센싱 방식에 대하여 제한을 하지 않는다.
도 7에 도시된 센싱부(52a)의 구성을 가지는 산소 센서(51,52), 그리고 그 밖에 반도체식 산소 센서와 연소식 산소 센서의 구성이나 센싱 방식, 산소 농도 산출 방식 등에 대해서는 통상의 기술자에게 알려진 공지의 기술 사항이므로 본 명세서에서 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어 과정을 나타내는 순서도로서, 차량 주행 중 산소 센서(51,52)를 이용하여 연료전지 스택(10) 내 산소 농도를 측정하고, 측정된 산소 농도에 기초하여 연료전지 셀의 역전압으로 인한 비가역적 열화 발생을 방지하는 제어 과정을 나타내고 있다.
이에 더하여, 도 8의 순서도에는 플러딩 등으로 인한 셀 전압 하강시 연료전지 성능 회복을 위한 제어 과정이 함께 나타나 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 열화 발생 방지 제어 과정은 셀 전압 하강시 성능 회복을 위한 제어 과정과 병행적으로 수행될 수 있다.
먼저, 운전자가 차량 운행을 위해 시동키를 온(Key On)하여 차량을 시동한 경우(S1), 연료전지 시스템의 운전이 시작되고, 차량이 주행하는 동안 제어기(60)에 의해 연료전지 시스템의 운전이 제어된다.
상기와 같이 차량을 시동하여 연료전지 시스템의 운전이 시작되면, 연료전지 시스템의 운전 초기에 애노드 입구 및 출구측에 잔존하고 있는 산소에 의한 농도 계측 오류를 방지하기 위하여, 제어기(60)는 센서에 의해 검출되는 연료전지 스택(10)의 냉각수 온도(스택의 운전 온도임)(Tc)가 설정온도(Ts)에 도달하여 안정화되었는지를 확인하고(S2), 냉각수 온도(Tc)가 설정온도(Ts)에 도달하여 그 이상의 온도가 된 경우(Tc≥Ts), 산소 센서의 신호를 이용하는 후속 단계를 진행한다.
즉, 상기 제어기(60)는, 연료전지 시스템의 운전이 시작된 후 냉각수 온도(Tc)가 상승하여 설정온도(Ts) 이상이 된 경우 산소 센서(51,52)의 신호를 이용하여 산소 농도 기준값을 결정하는 기준값 결정 과정(S3-1), 및 산소 센서(51,52)의 신호로부터 실시간 산소 농도 값을 취득하는 산소 농도 계측 과정(S3-2)을 수행하도록 설정될 수 있는 것이다.
위에서, 도 8에 나타낸 바와 같이 연료전지 시스템의 운전 시작 후 냉각수 온도(Tc)가 상승하여 설정온도(Ts)에 도달함을 제어기(60)가 판단하는 것으로 설명하였으나, 냉각수 온도가 설정온도에 도달함을 판단하는 것 대신, 도 8에는 예시하지는 않았지만, 차량을 시동하여 연료전지 시스템의 운전이 시작된 후 설정시간이 경과하였는지를 판단하고, 연료전지 시스템의 운전 시작 후 설정시간이 경과한 경우에만 산소 센서의 신호를 이용하는 후속 단계를 진행하도록 제어기(60)가 설정될 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 설정온도(Ts)는 50℃로 설정될 수 있고, 상기 설정시간은 2분으로 설정될 수 있다.
이로써 제어기(60)는 연료전지 스택(10)의 운전 온도가 되는 냉각수 온도(Tc)가 설정온도(Ts)인 50℃ 이상이 된 경우 또는 시동 후 2분이 경과한 경우 후속 단계를 진행하게 된다.
그리고, 제어기(60)는 차량 시동 후 연료전지 스택(10)의 애노드 입구측 통로와 애노드 출구측 통로에 설치된 각 산소 센서(51,52)의 신호를 수신하는데, 전술한 바와 같이 냉각수 온도(Tc)가 상승하여 설정온도(Ts)에 도달하면(또는 연료전지 시스템 운전 시작 후 설정시간이 경과하면), 상기 후속 단계로서 산소 센서(51,52)의 신호를 이용하여 전류 구간별 산소 농도 기준값(Cs)을 결정하는 과정을 수행한다(S3-1).
또한, 전술한 바와 같이, 제어기(60)는 산소 센서(51,52)의 신호로부터 실시간 산소 농도 값(CO2)을 취득하는 산소 농도 계측 과정을 수행한다(S3-2).
상기 후속 단계에 대해 좀더 상세히 설명하면, 먼저 본 발명에 따른 제어 과정에서는 역전압 열화 저감을 위해 시동 후 캐소드에서 애노드로 이동한 산소의 기준 농도 값(Cs, 이하 '산소 농도 기준값'이라 칭함)을 이용한다.
본 발명에서 산소 농도 기준값(Cs)은 동일 연료전지 시스템에서 캐소드로부터 애노드로 이동한 스택 운전 전류 구간별 산소의 농도를 근거로 한 것으로서, 차량 시동(Key On) 후 냉각수 온도(Tc)가 설정온도(Ts) 이상이 되었을 때 연료전지 스택 운전 전류 구간별로 산소 센서(51,52)의 신호로부터 취해지는 기 설정된 시간 동안의 산소 농도 평균값을 상기 산소 농도 기준값(Cs)으로 결정한다.
여기서, 상기 운전 전류 구간은 스택 운전 전류를 기준으로 미리 정해진 범위의 전류 구간들을 의미한다.
예를 들면, 상기 운전 전류 구간은 개별로 각각 정해진 전류 범위를 가지는 저전류 구간, 중전류 구간, 고전류 구간의 세 구간으로 나뉘어 정해질 수 있고, 각 전류 구간별로 전류 범위가 정해진다.
즉, 상기 운전 전류 구간은 스택 운전 전류(I)를 기준으로 0A < I ≤ 100A인 저전류 구간, 100A < I ≤ 200A인 중전류 구간, 200A < I인 고전류 구간을 포함할 수 있다.
이러한 스택 운전 전류 구간이 제어기(60) 내에 설정된 상태에서, 차량을 시동하여 연료전지 시스템의 운전이 시작되고, 냉각수 온도(Tc)가 설정온도(Ts) 이상이 된 경우(또는 연료전지 시스템 운전 시작 후 설정시간이 경과한 경우) 연료전지 스택의 운전 전류가 해당 구간에 진입한 시점부터 기 설정된 시간 동안의 산소 농도 평균값을 산출한 뒤, 상기 산출된 평균값을 해당 전류 구간의 산소 농도 기준값(Cs)으로 결정한다.
예를 들면, 냉각수 온도(Tc)가 설정온도(Ts) 이상인 상태에서, 연료전지 스택의 운전 전류가 저전류 구간에 진입한 후 기 설정된 시간 동안의 산소 농도 평균값, 즉 산소 센서에 의해 계측되는 산소 농도의 평균값을 산출하고, 상기 산출된 평균값을 해당 전류 구간(즉 저전류 구간)의 산소 농도 기준값으로 결정한다.
또한, 냉각수 온도(Tc)가 설정온도(Ts) 이상인 상태에서, 연료전지 스택의 운전 전류가 중전류 구간에 진입한 후 기 설정된 시간 동안의 산소 농도 평균값을 산출하고, 상기 산출된 평균값을 해당 전류 구간(즉 중전류 구간)의 산소 농도 기준값(Cs)으로 결정한다.
또한, 냉각수 온도(Tc)가 설정온도(Ts) 이상인 상태에서, 연료전지 스택의 운전 전류가 고전류 구간에 진입한 후 기 설정된 시간 동안의 산소 농도 평균값을 산출하고, 상기 산출된 평균값을 해당 전류 구간(즉 고전류 구간)의 산소 농도 기준값(Cs)으로 결정한다.
물론, 냉각수 온도(Tc)가 설정온도(Ts) 이상인 상태일 때 산소 농도 기준값(Cs)이 구해지도록 하는 것, 그리고 실시간 산소 농도 값(CO2)이 구해지도록 하는 것은, 전술한 바와 같이 연료전지 시스템이 안정화된 상태에서 산소 농도 측정이 이루어지도록 함으로써 그 측정값의 편차를 줄이기 위함이다.
또한, 전류 구간별로 산소 농도를 측정하는 이유는 공기 공급 유량 및 압력에 따라 캐소드에서 애노드로 이동하는 산소의 양이 달라질 수 있기 때문에 그 측정 변화량을 최소화하여 제어에 활용하기 위함이다.
이와 같이 산소 농도는 연료전지 운전 방식이나 연료전지 시스템별로 상이할 수 있기 때문에 전류 구간별로 세분하여 측정하는 것이 필요하다.
상기의 방법으로 제어기(60)에서 전류 구간별 산소 농도 기준값(Cs)이 설정되고 나면, 이후 제어기(60)는 산소 센서의 신호로부터 차량 주행 중 전류 구간별로 실시간 산소 농도 값(CO2)을 취득하는데, 실시간 산소 농도 값(CO2)을 동일 전류 구간의 산소 농도 기준값(Cs)과 비교하여 현재의 애노드측 산소 농도가 역전압 발생 가능성이 있는 정해진 조건을 만족하는지를 판단한다(S4).
바람직하게는, 이 과정에서, 상기 제어기(60)가 실시간 계측되는 산소 농도 값(CO2)을 도 8에 나타낸 바와 같이 동일 전류 구간의 산소 농도 기준값(Cs)과 민감 계수(S)를 곱한 값(Cs×S)과 비교하도록 설정될 수 있다.
여기서, 민감 계수(S)는 제어기(60)에 미리 설정되는 값으로서, 본 발명에서 민감 계수(S)를 이용하는 이유는 연료전지 스택이 동적인 상태일 때 산소 농도 값이 일시적으로 큰 경우 역전압으로 오판단하는 상황을 방지하기 위함이다.
하기 표 1은 산소 농도 기준값과 실시간 산소 농도 값에 대해 정리한 것으로, 산소 농도의 편차를 줄이기 위해서는 전류 구간을 세 구간 이상으로 세분화하여 구성할 수 있다.
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상기 S4 단계에서, 제어기(60)는 실시간 산소 농도 값(CO2)을 동일 전류 구간의 산소 농도 기준값(Cs)과 민감 계수(S)의 곱(Cs×S)과 비교하여, 그 이상이면(CO2 ≥ Cs×S), 현재의 산소 농도가 역전압 발생 가능성이 있는 조건을 만족하는 것으로 판단하여, 역전압 발생 회피를 위한 산소 농도 저감 제어를 수행한다(S6).
반면, 제어기(60)는 실시간 산소 농도 값(CO2)이 동일 전류 구간의 산소 농도 기준값(Cs)과 민감 계수(S)의 곱(Cs×S)보다 작은 경우, 통상적인 연료전지 시스템의 정상 운전 제어 및 차량의 정상 주행 제어를 수행한다(S5).
본 발명에서 연료전지 스택(100) 내 애노드 출구측 통로(애노드 출구 매니폴드)와 애노드 입구측 통로(애노드 입구 매니폴드)에 모두 도 6a와 같은 산소 센서(51,52)가 설치되는 경우, 제어기(60)는 상기 두 산소 센서(51,52)에 의해 검출된 산소 농도 중 높은 산소 농도를 이용하여 산소 농도 기준값(Cs) 및 실시간 산소 농도 값(CO2)을 결정한다.
또한, 연료전지 스택(100) 내 애노드 출구측 통로(애노드 출구 매니폴드), 또는 애노드 출구측 통로와 애노드 입구측 통로(애노드 입구 매니폴드)에 모두 도 6b와 같은 산소 센서(51,52)가 설치되는 경우, 제어기(60)는 두 산소 센서(51,52)의 각 센싱부에 의해 검출된 산소 농도 중 최대 산소 농도를 이용하여 산소 농도 기준값(Cs) 및 실시간 산소 농도 값(CO2)을 결정한다.
즉, 도 6b의 실시예와 같이 산소 센서(51,52)가 셀별 산소 농도를 측정하도록 되어 있는 경우, 실시간 산소 농도 값(Cs)은 산소 농도가 가장 높은 셀의 산소 농도, 즉 전체 셀들의 산소 농도 중 최대 산소 농도로 결정된다.
이는 도 10을 참조하여 설명한 캐소드 탄소 부식 방지 제어 과정에서도 같다.
상기 산소 농도 저감 제어 과정에서는, 애노드 출구측 배기라인(L2)에 설치된 퍼지 밸브(26)를 정해진 주기마다 설정시간 동안 개방하여 애노드측 가스를 배출하는 애노드 퍼지 작동 제어, 수소 공급량이 설정량만큼 증대되도록 수소공급장치(20)의 작동을 제어하는 수소 공급량 증대 제어, 그리고 수소 공급압력이 설정압력만큼 증대되도록 수소공급장치(20)의 작동을 제어하는 수소 공급압력 증대 제어 중 하나 또는 둘 이상의 제어를 수행한다(S6).
이를 통해 산소 농도를 저감하고 캐소드 탄소 부식 상황을 회피하게 되며, 차량이 운행을 중지하고 주차한 상태에서 웨이크 업 주기에 따라 상기와 같은 산소 농도 저감 제어를 실시하여 실시간 산소 농도 값(CO2)이 산소 농도 기준값(Cs)과 민감 계수의 곱보다 작아지는 경우 S3-2 단계로 리턴된다.
이와 같이 본 발명에서는 산소 센서(51,52)를 이용하여 측정한 실시간 산소 농도 값(CO2)을 현재 스택 전류에 해당하는 산소 농도 기준값(Cs)과 비교하되, 상기 실시간 산소 농도 값(CO2)이 상기 산소 농도 기준값(Cs)과 민감 계수(S)의 곱 이상이면, 제어기(60)가 역전압 과정 중 물 전기분해 과정으로 인식하여 애노드 퍼지, 수소 공급량 증대, 수소 공급압력 증대 중 하나 또는 둘 이상의 제어를 수행하고, 이를 통해 연료전지 셀의 역전압 현상과 캐소드 탄소 부식 현상 및 그로 인한 비가역적 열화 발생을 방지하게 된다.
하지만, 차량 운행 중 기준시간 이상 역전압 회피 제어(산소 농도 저감 제어)를 수행하였음에도 불구하고 여전히 실시간 산소 농도 값(CO2)이 상기 산소 농도 기준값(Cs)과 민감 계수(S)의 곱 이상인 경우, 역전압 회피가 불가능한 경우로 판단하여 차량 정지 모드로 진입하고(S7,S8,S9), 이를 통해 연료전지 스택(10)의 비가역적인 열화가 발생하는 것을 방지하게 된다.
한편, 상기와 같은 열화 발생 방지 제어 과정이 수행되는 것과 별개로 셀 전압 하강시 성능 회복을 위한 제어 과정(S10~S17)이 병행적으로 수행된다.
셀 전압 하강시 성능 회복을 위한 제어 과정은 연료전지 스택(10)의 출력 전류를, 셀 전압 저하 정도에 따라 결정된 전류 값으로 제한하는 전류 제한 과정을 포함한다.
도 9는 셀 전압 저하 정도를 나타내는 R 값에 따른 사용 가능한 최대 전류(I1,I2,I3)를 예시한 도면이다.
먼저, 운전자기 시동키를 온(Key On) 하여 차량을 시동한 후(S1) 차량의 주행이 이루어지는 동안, 제어기(60)가 센서 검출 정보를 통해 취득된 연료전지 스택(10)의 평균 셀 전압(Vavg)과 최소 셀 전압(Vmin)으로부터 R 값을 계산한다(S10).
상기 R은 셀 전압이 저하되는 정도를 나타내는 것으로, 연료전지 차량에서 전류 제한의 판단 근거로 활용되는 것이며, 아래의 식으로 계산될 수 있다.
R = Vmin / Vavg
여기서, Vmin은 최소 셀 전압을 나타내고, Vavg는 평균 셀 전압을 나타내며, R 값이 작아질수록 최소 셀 전압(Vmin)과 평균 셀 전압(Vavg)의 편차가 커지는 것을 의미한다.
상기와 같이 R 값이 계산되고 나면, 계산된 R 값을 제1 설정값(R3)과 비교하여(S11) R 값이 제1 설정값(R3) 이상일 경우(R3≤R≤1), 시스템에서 허용하는 정상 전류 범위(도 9에서 사용 가능한 최대 전류 I3 이하의 전류 범위임)에서 연료전지 시스템을 정상 운전하고, 차량의 정상 주행이 이루어지도록 한다(S5)(도 9의 'A' 구간임).
반면, R 값이 제1 설정값(R3)보다 낮아질 경우(R2<R<R3, R2<R3 임), 전류 제한 모드로 진입하여, 사용 가능한 최대 전류를 I3에서 I2로 낮추는 전류 제한을 실시한다(S12)(도 9의 'B' 구간임).
이와 동시에 애노드 퍼지, 수소 공급량 증대, 수소 공급압력 증대, 공기 공급량 증대, 공기 공급압력 증대 중 하나 또는 둘 이상을 실시한다(S13).
즉, 애노드 출구측 배기라인(L2)에 설치된 퍼지 밸브(26)를 정해진 주기마다 설정시간 동안 개방하여 애노드측 가스를 배출하는 애노드 퍼지 작동 제어, 수소 공급량이 설정량만큼 증대되도록 수소공급장치(20)의 작동을 제어하는 수소 공급량 증대 제어, 수소 공급압력이 설정압력만큼 증대되도록 수소공급장치(20)의 작동을 제어하는 수소 공급압력 증대 제어, 공기 공급량이 설정량만큼 증대되도록 공기공급장치(30)의 작동을 제어하는 공기 공급량 증대 제어, 공기 공급압력이 설정압력만큼 증대되도록 공기공급장치(30)의 작동을 제어하는 공기 공급압력 증대 제어 중 하나 또는 둘 이상의 제어를 수행한다(S13).
이후 R 값이 다시 제1 설정값(R3) 이상이 되었다면(R3≤R≤1), 시스템에서 허용하는 정상 전류 범위(도 9에서 사용 가능한 최대 전류 I3 이하의 전류 범위임)에서 연료전지 시스템을 정상 운전하고, 차량의 정상 주행이 이루어지도록 한다(S14,S15,S5)(도 9의 'A' 구간임).
반면, 'B' 구간에 비해 셀 편차가 더 증가하는 경우, 즉 R 값이 제2 설정값(R2) 이하로 더 낮아지는 경우(R1<R≤R2, R1<R2 임), 셀 전압 회복을 위해 사용 가능한 최대 전류를 I2에서 I1으로 더욱 낮추게 된다(S14,S15,S16)(도 9의 'C' 구간임).
이때, 사용 가능한 최대 전류 I1은 R 값이 낮을수록 일정 기울기로 감소하도록 설정된다.
또한, R 값이 제3 설정값(R1) 이하로 더 낮아지면(R≤R1), 셀 전압 편차가 극심한 경우이므로 차량을 정지 상태로 유도한다(도 9의 'D' 구간임).
이와 같이 전류 제한 모드로 진입한 후에는 셀 전압 편차 정도를 나타내는 R 값에 따라 사용 가능한 최대 전류를 변화시키면서 연료전지 스택(10)이 출력하는 전류가 사용 가능한 최대 전류를 넘지 않도록 전류 제한을 실시한다.
또한, 차량이 정상 주행을 하고 있거나 전류 제한 모드로 주행하고 있는 동안 S17 단계에서 운전자가 시동키를 오프(Key Off)하면 연료전지 시스템의 셧다운 후 차량 운행이 중지된다.
다음으로, 상기와 같이 차량이 운행을 중지하고 주차한 상태에서 차단 밸브(33,34)의 틈새 등을 통해 연료전지 스택(10)의 내부, 특히 연료전지 스택(10)의 애노드로 외부 공기가 유입되었을 때 캐소드 부식 방지를 위한 제어 과정에 대해 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명에서 연료전지 스택(10) 내 공기 유입시 캐소드 부식 방지를 위한 제어 과정을 수행하는 시스템의 구성도이다.
연료전지 차량이 주차한 상태라 하더라도 제어기(60)가 주기적으로 웨이크 업(wake up) 상태가 되는데, 이때 제어기(60)와 산소 센서(51,52)가 작동 전력을 공급받게 되어 산소 센서(51,52)에 의해 스택(10)의 애노드측 가스 중 산소 농도(C)가 측정되고, 산소 센서(51,52)는 측정된 산소 농도(C)에 상응하는 전기적 신호를 제어기(60)로 송신한다.
이에 제어기(60)가 산소 농도에 상응하는 전기적 신호를 수신하고, 산소 센서(51,52)를 통해 측정된 산소 농도(C)가 미리 설정된 산소 농도 기준값(L)(즉 제2 산소 농도 기준값) 이상이면 스택(10)의 애노드에 외부 공기가 유입된 것으로 판단한다.
여기서, 산소 농도 기준값(L)(제2 산소 농도 기준값)은 주행 중 스택 전류에 따라 결정되는 도 8의 산소 농도 기준값(제1 산소 농도 기준값)과 다른 값일 수 있다.
상기와 같이 외부 공기가 유입된 것으로 판단하면, 제어기(60)는 수소공급장치(20)의 작동을 제어하여 연료전지 스택(10)의 애노드 입구측으로 수소를 공급한다.
즉, 제어기(60)는 수소공급밸브(23)를 개방하여 수소탱크(21)에 저장된 연료 가스인 수소가 연료전지 스택(10)의 애노드로 공급되도록 하거나, 또는 추가로 재순환 블로워(25)를 작동시켜 연료전지 스택(10)의 애노드 입구측으로 수소를 공급한다.
이와 동시에 제어기(60)는 퍼지 작동을 수행하기 위한 제어신호를 출력하고, 이로써 제어기(60)가 출력하는 제어신호에 의해 퍼지 밸브(26)가 개방되어 산소 농도가 기준값 미만으로 낮아지도록 스택(10)의 애노드 내 산소를 배출시킨다.
바람직한 실시예에서, 제어기(60)는 도 11에 나타낸 바와 같이 산소 센서(51,52)에 의해 측정되는 산소 농도가 산소 농도 기준값보다 낮아질 때까지 퍼지 밸브(26)의 개방 상태를 유지한다.
또한, 산소 농도가 산소 농도 기준값보다 낮아져 퍼지 밸브(26)를 닫은 상태라 하더라도, 이후 웨이크 업 주기에서 제어기(60)와 산소 센서(51,52)가 웨이크 업 상태로 온 된 상태에서 다시 산소 농도가 산소 농도 기준값 이상이 될 경우 제어기(60)가 다시 퍼지 밸브(26)를 개방하여 스택의 애노드로부터 산소가 배출되도록 한다.
상기와 같이 산소 농도가 산소 농도 기준값보다 높은 상태에서 퍼지 밸브(26)를 개방할 때, 제어기(60)는 퍼지 밸브(26)를 일정 시간 동안 개방한 뒤 닫아주는 제어, 즉 퍼지 밸브(26)를 짧은 주기로 반복하여 개폐하는 제어를 수행할 수 있다.
이로써 차량 주차 중 스택 내부로 외부 공기가 유입되더라도 캐소드 부식을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
그리고, 상기와 같은 캐소드 부식 방지를 위한 제어 과정에서 산소 농도 기준값(제2 산소 농도 기준값)은, 도 8에 도시된 비가역적 열화 발생 방지를 위한 제어 과정에서 사용하는 산소 농도 기준값(제1 산소 농도 기준값)과 다른 값이거나 같은 값일 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 산소 센서를 연료전지 스택의 애노드 입구측과 애노드 출구측에 장착하여 산소 농도를 측정하고, 측정된 산소 농도에 기초하여 연료전지 시스템에 대하여 애노드측 산소 농도를 낮추기 위한 소정의 제어를 수행함으로써, 연료전지 차량의 주행 중 셀의 역전압으로 인해 나타날 수 있는 연료전지의 비가역적 열화와 주차 중 공기 유입으로 인한 열화, 즉 캐소드 탄소 부식을 효과적으로 저감할 수 있게 된다.
결국, 역전압 열화에 대한 사전 대응을 통하여 연료전지 차량의 성능 및 안정성, 그리고 연료전지의 내구성 및 안전성을 확보하는 것이 가능해진다.
특히, 종래 기술에서는 물 범람 현상인 플러딩(flooding)으로 인한 가역적 셀 열화에 대해서만 대응이 가능하였고, 역전압으로 인한 비가역적인 열화에 대해서는 대응이 불가능하였다.
그러나, 본 발명에서는 역전압시 탄소 부식 전 단계인 물의 전기분해 단계에서 생성되는 산소의 농도를 측정하여 산소 농도가 일정 수준 이상이면 비가역적 열화인 탄소 부식의 발생 전에 사전 대응을 위한 제어를 수행하여 탄소 부식이 발생하는 것을 미연에 방지하고, 이를 통해 차량의 성능 및 안전성, 그리고 연료전지의 내구성 및 안전성을 확보할 수 있게 된다.
또한, 산소 센서의 경우 소모 전력이 크지는 않으므로, 연료전지 차량에서 주차 동안 산소 센서 없이 탄소 부식을 방지하기 위해 주기적으로 퍼지를 작동시키는 것과 비교하여, 산소 센서를 통해 측정된 스택의 애노드측 산소 농도가 기준값 이상으로 증가하였을 때에만 수소 공급 및 퍼지하는 것이 보다 효율적이고, 소모 전력 측면에서도 유리하다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료전지 스택 11 : 인클로우져
20 : 수소공급장치 21 : 수소탱크
22 : 압력 레귤레이터 23 : 수소공급밸브
24 : 이젝터 25 : 재순환 블로워
26 : 퍼지 밸브 30 : 공기공급장치
31 : 공기블로워 32 : 가습기
33, 34 : 차단 밸브 40 : 열 및 물 관리 시스템
41 : 전동 물 펌프 42 : 리저버
43 : 라디에이터 46 : 워터 트랩
47 : 드레인 밸브 51, 52 : 산소 센서
52a : 센싱부 53, 54 : 결합핀
56 : 기재 57 : 촉매층
58 : 산소 투과막 59 : 격벽구조물
55 : 와이어 60 : 제어기
110 : 셀 적층체
111 : 애노드 출구측 통로(애노드 출구 매니폴드)
112 : 냉각수 입구 매니폴드 113 : 캐소드 입구 매니폴드
121, 122 : 엔드 플레이트 122a : 와이어 관통홀
122b : 핀홈 122c : 씰링 부재
123a : 수소 출구홀 123b : 냉각수 입구홀
123c : 공기 입구홀 124a : 수소 입구홀
124b : 냉각수 출구홀 124c : 공기 출구홀
L1 : 수소공급라인 L2 : 애노드 출구측 배기라인
L3 : 재순환 라인 L4 : 캐소드 출구측 배기라인
L5 : 공기공급라인

Claims (24)

  1. 연료전지 스택, 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 운전장치의 작동을 제어하는 제어기를 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 연료전지 스택 내에 설치되어 애노드측 가스 중 산소 농도를 검출하는 산소 센서를 포함하고,
    연료전지 시스템의 운전 동안, 상기 제어기는,
    상기 산소 센서에 의해 검출되는 실시간 산소 농도 값과, 현재의 연료전지 스택 운전 전류에 해당하는 제1 산소 농도 기준값을 기초로 현재의 애노드측 산소 농도가 역전압 발생 가능성이 있는 정해진 조건을 만족하는지를 판단하고,
    역전압 발생 가능성이 있는 정해진 조건을 만족하는 것으로 판단한 경우, 연료전지 스택의 셀에서 역전압 발생으로 인한 애노드측 열화가 방지되도록 상기 연료전지 운전장치에 대하여 애노드측 산소 농도 저감을 위한 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소 센서가 연료전지 스택 내 애노드 출구측 통로인 애노드 출구 매니폴드를 따라 길게 삽입되어 설치된 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소 센서는,
    상기 연료전지 스택 내 애노드 출구측 통로인 애노드 출구 매니폴드를 따라 길게 삽입되어 설치된 제1 산소 센서, 및
    상기 연료전지 스택 내 애노드 입구측 통로인 애노드 입구 매니폴드를 따라 길게 삽입되어 설치된 제2 산소 센서를 포함하고,
    연료전지 시스템의 운전 동안, 상기 제어기는,
    상기 제1 산소 센서에 의해 검출된 산소 농도와 상기 제2 산소 센서에 의해 검출된 산소 농도 중 큰 산소 농도 값을 상기 실시간 산소 농도 값으로 이용하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 산소 센서와 제2 산소 센서는 양단부가 연료전지 스택 양단의 엔드 플레이트에 고정되는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 산소 센서와 제2 산소 센서의 양단부에 결합핀이 돌출 형성되고, 상기 제1 산소 센서와 제2 산소 센서는 양단부의 결합핀이 엔드 플레이트의 핀홈에 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 산소 센서와 제2 산소 센서의 와이어가 각각 상기 연료전지 스택 양단의 두 엔드 플레이트 중 하나에 형성된 와이어 관통홀을 통과하여 제어기에 접속되고, 상기 와이어 관통홀에는 와이어와의 기밀을 유지하기 위한 씰링 부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 산소 센서와 제2 산소 센서는 각각 개별 센서 소자 형태로 구비되어 센서 몸체의 길이방향을 따라 배열되는 복수 개의 센싱부를 포함하고,
    상기 복수 개의 센싱부가 상기 제어기에 병렬로 연결되며,
    상기 제어기는 상기 두 산소 센서의 각 센싱부에 의해 검출된 산소 농도 중 최대 산소 농도를 상기 실시간 산소 농도 값으로 이용하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 각 산소 센서는 복수 개의 센싱부가 센서 몸체의 길이방향을 따라 지그재그 형태로 배열되어 센싱부 간의 간극 및 측정 간격이 확보될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 애노드측 산소 농도 저감을 위한 제어는,
    연료전지 스택의 애노드 출구측 배기라인에 설치된 퍼지 밸브를 개방하여 애노드측 가스를 배출하는 애노드 퍼지 작동 제어, 수소 공급량이 설정량만큼 증대되도록 수소공급장치의 작동을 제어하는 수소 공급량 증대 제어, 및 수소 공급압력이 설정압력만큼 증대되도록 수소공급장치의 작동을 제어하는 수소 공급압력 증대 제어 중 하나 또는 둘 이상의 제어인 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 실시간 산소 농도 값을 상기 제1 산소 농도 기준값과 미리 정해진 민감 계수의 곱과 비교하여, 상기 실시간 산소 농도 값이 상기 제1 산소 농도 기준값과 민감 계수의 곱 이상이면, 상기 역전압 발생 가능성이 있는 조건을 만족하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    연료전지 시스템의 운전 초기에 연료전지 스택의 애노드에 잔존하는 산소에 의한 농도 계측 오류를 방지하기 위하여, 연료전지 시스템의 운전 시작 후 설정시간이 경과한 경우, 또는 연료전지 스택의 운전온도가 설정온도에 도달한 경우, 상기 산소 센서에 의해 검출되는 실시간 산소 농도 값을 이용하여 현재의 애노드측 산소 농도가 역전압 발생 가능성이 있는 정해진 조건을 만족하는지를 판단하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 산소 농도 기준값은 전류 구간별로 정해지고, 현재의 연료전지 스택 운전 전류에 해당하는 전류 구간의 제1 산소 농도 기준값을 이용하여 현재의 애노드측 산소 농도가 역전압 발생 가능성이 있는 정해진 조건을 만족하는지를 판단하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제어기는,
    연료전지 시스템의 운전 시작 후 설정시간이 경과한 경우, 또는 연료전지 스택의 운전온도가 설정온도에 도달한 상태에서, 연료전지 스택의 운전 전류가 상기 전류 구간에 진입한 시점부터 기 설정된 시간 동안 상기 산소 센서에 의해 검출된 산소 농도의 평균값을 해당 전류 구간의 제1 산소 농도 기준값으로 결정하여 이용하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    차량 주차 중 상기 제어기는,
    상기 산소 센서에 의해 검출된 산소 농도가 정해진 제2 산소 농도 기준값 이상인 경우, 연료전지 스택의 애노드에 공기가 유입된 것으로 판단하여,
    상기 공기의 유입으로 인한 캐소드측 열화가 방지되도록 수소공급장치의 작동을 제어하여 연료전지 스택의 애노드로 수소를 공급하고, 연료전지 스택의 애노드 출구측 배기라인에 설치된 퍼지 밸브를 개방하여 애노드측 가스를 배출하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 산소 센서는,
    상기 연료전지 스택 내 애노드 출구측 통로인 애노드 출구 매니폴드를 따라 길게 삽입되어 설치된 제1 산소 센서, 및
    상기 연료전지 스택 내 애노드 입구측 통로인 애노드 입구 매니폴드를 따라 길게 삽입되어 설치된 제2 산소 센서를 포함하고,
    차량 주차 중 상기 제어기는,
    상기 제1 산소 센서에 의해 검출된 산소 농도와 상기 제2 산소 센서에 의해 검출된 산소 농도 중 큰 산소 농도를 상기 제2 산소 농도 기준값과 비교하여 제2 산소 농도 기준값 이상인 경우, 연료전지 스택의 애노드에 공기가 유입된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템.
  16. 연료전지 시스템의 운전 동안 연료전지 스택 내에 설치된 산소 센서에 의해 애노드측 가스 중 산소 농도가 검출되는 단계;
    제어기가 상기 산소 센서에 의해 검출되는 실시간 산소 농도 값과, 현재의 연료전지 스택 운전 전류에 해당하는 제1 산소 농도 기준값을 기초로 현재의 애노드측 산소 농도가 역전압 발생 가능성이 있는 정해진 조건을 만족하는지를 판단하는 단계;
    역전압 발생 가능성이 있는 정해진 조건을 만족하는 것으로 판단한 경우, 상기 제어기가 연료전지 스택의 셀에서 역전압 발생으로 인한 애노드측 열화가 방지되도록 연료전지 운전장치에 대하여 애노드측 산소 농도 저감을 위한 제어를 수행하는 단계를 포함하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 실시간 산소 농도 값을 상기 제1 산소 농도 기준값과 미리 정해진 민감 계수의 곱과 비교하여, 상기 실시간 산소 농도 값이 상기 제1 산소 농도 기준값과 민감 계수의 곱 이상이면, 상기 역전압 발생 가능성이 있는 조건을 만족하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 애노드측 산소 농도 저감을 위한 제어가 수행되는 시간인 제어 작동 시간을 측정하고, 상기 제어 작동 시간이 정해진 기준시간을 경과하였음에도 상기 역전압 발생 가능성이 있는 정해진 조건을 계속해서 만족하는 것으로 판단한 경우, 연료전지 시스템의 셧다운 및 차량 정지를 유도하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 제어기는,
    연료전지 시스템의 운전 초기에 연료전지 스택의 애노드에 잔존하는 산소에 의한 농도 계측 오류를 방지하기 위하여, 연료전지 시스템의 운전 시작 후 설정시간이 경과한 경우, 또는 연료전지 스택의 운전온도가 설정온도에 도달한 경우, 상기 산소 센서에 의해 검출되는 실시간 산소 농도 값을 이용하여 현재의 애노드측 산소 농도가 역전압 발생 가능성이 있는 정해진 조건을 만족하는지를 판단하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  20. 청구항 16에 있어서,
    상기 애노드측 산소 농도 저감을 위한 제어는,
    연료전지 스택의 애노드 출구측 배기라인에 설치된 퍼지 밸브를 개방하여 애노드측 가스를 배출하는 애노드 퍼지 작동 제어, 수소 공급량이 설정량만큼 증대되도록 수소공급장치의 작동을 제어하는 수소 공급량 증대 제어, 및 수소 공급압력이 설정압력만큼 증대되도록 수소공급장치의 작동을 제어하는 수소 공급압력 증대 제어 중 하나 또는 둘 이상의 제어인 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  21. 청구항 16에 있어서,
    상기 제1 산소 농도 기준값은 전류 구간별로 정해지고, 현재의 연료전지 스택 운전 전류에 해당하는 전류 구간의 제1 산소 농도 기준값을 이용하여 현재의 애노드측 산소 농도가 역전압 발생 가능성이 있는 정해진 조건을 만족하는지를 판단하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 전류 구간은 개별로 각각 정해진 전류 범위를 가지는 저전류 구간, 중전류 구간, 및 고전류 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  23. 청구항 21에 있어서,
    상기 제어기는,
    연료전지 시스템의 운전 시작 후 설정시간이 경과한 경우, 또는 연료전지 스택의 운전온도가 설정온도에 도달한 상태에서, 연료전지 스택의 운전 전류가 상기 전류 구간에 진입한 시점부터 기 설정된 시간 동안 상기 산소 센서에 의해 검출된 산소 농도의 평균값을 해당 전류 구간의 제1 산소 농도 기준값으로 결정하여 이용하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  24. 청구항 16에 있어서,
    차량 주차 중 정해진 웨이크 업 주기마다 연료전지 스택 내에 설치된 산소 센서에 의해 애노드측 가스 중 산소 농도가 검출되는 단계;
    웨이크 업 상태의 제어기가 산소 센서에 의해 검출된 산소 농도를 정해진 제2 산소 농도 기준값과 비교하는 단계; 및
    상기 산소 센서에 의해 검출된 산소 농도가 제2 산소 농도 기준값 이상인 경우, 상기 제어기가 연료전지 스택의 애노드에 공기가 유입된 것으로 판단하고, 상기 공기의 유입으로 인한 캐소드측 열화가 방지되도록 수소공급장치의 작동을 제어하여 연료전지 스택의 애노드로 수소를 공급하고, 연료전지 스택의 애노드 출구측 배기라인에 설치된 퍼지 밸브를 개방하여 애노드측 가스를 배출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 구비한 연료전지 시스템의 제어 방법.
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