KR100986385B1

KR100986385B1 - 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100986385B1
Application number: KR1020080103923A
Authority: KR
Inventors: 남건우
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2010-10-08
Also published as: KR20100044933A

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템의 고출력 기동시 공기를 공급하기 위한 에어 블로워 후단의 배압을 줄여 연료전지스택에 공급되는 공기 유량을 증대시키기 위한 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 연료전지스택으로 순간적인 공기유량 증가가 필요할 때 또는 고출력 기동이 필요할 때, 연료전지스택에 공급되는 가습공기의 습도량을 검출하여, 검출된 습도량에 따라 공기극에서 배출되어 가습기로 복귀되는 습윤공기의 일부를 밸브 개폐량을 조절하여 외기로 배출시켜 줌으로써, 에어블로워의 후단에 걸리는 배압을 줄여줄 수 있고, 배압의 감소에 따라 연료전지스택에 공급되는 공기의 유량을 크게 증가시켜, 순간적인 공기유량 증가를 요하는 경우와 고출력 기동을 요하는 경우를 충족시킬 수 있다.

연료전지, 가습기, 공기극, 배압, 에어블로워, 고출력 기동, 습도

Description

연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치 및 방법{Device and method for controlling APS of fuel cell system}

연료전지 시스템의 메인 파워(Main Power) 공급원인 연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급 받아 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 고순도의 수소가 수소저장탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 에어블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.

이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.

연료전지 차량에 적용되고 있는 고분자 전해질 막은 물에 충분히 젖어 있을수록 이온전도도가 커져 저항에 의한 손실이 작아지지만, 상대습도가 낮은 반응기체의 공급이 계속되면 종국에는 고분자 전해질 막이 말라서 더 이상 쓸 수 없게 되므로, 고분자 전해질 막 연료전지에 있어서 그 공급되는 기체의 가습이 필수적으로 이루어져야 한다.

또한, 연료전지 시스템의 높은 효율과 내구성 및 운전 안정성을 위해 수소 및 공기 공급 가스의 압력(분압)과 습도, 그리고 시스템의 운전 온도 등을 적절히 제어해야 하는데, 상기 사항 중 공기 공급 가스의 가습은 운전 중 발생하는 연료전지 시스템 내의 생성수를 이용한다.

연료전지의 연료극에 대한 가습 방법은 연료전지 시스템의 운전시 전기화학 반응에 의해 공기극 영역에서 생성된 물이 연료극 영역으로 농도차에 의해 일부 확산되는데, 수소 재순환 장치를 통하여 재순환되는 수소가 상기와 같이 연료극으로 확산된 물을 함유하면서 연료극 입구로 공급되는 건조 수소와 혼합되어, 연료극 입구측의 공급 수소가 가습되어 이루어진다.

반면에, 연료전지의 공기극(Cathode)측 가습을 위해서 최고 유량을 적정 수준 이상으로 가습할 수 있는 별도의 가습기가 포함되며, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 상기 가습기(20)는 연료전지 스택(10)의 공기극(14) 입구 및 출구간에 장착되어 있다.

보다 상세하게는, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 상기 가습기(20)는 대개 중공사막(30)이 내재된 구조로서, 그 길이방향에서 일측에는 에어블로워(16)의 구동에 의하여 흡입되는 건조공기(대기공기) 유입구(22)가 형성되어 있고, 타측에는 연료전지 스택(10)의 공기극(14) 입구측과 연결되는 가습공기 출구(24)가 형성되어 있으며, 또한 가습기(10)의 폭방향에서 일측 위치에는 연료전지 스택(10)의 공기극(14) 출구측과 연결되는 가습공기 유입구(26)가 형성되어 있고, 그 반대 위치에는 가습공기 배출구(28)가 형성되어 있다.

이때, 공기 중 산소는 약 20% 미만이므로, 공기극에서의 전기화학 반응이 원활히 일어날 수 있도록 공기 공급량은 필요량 대비 약 2배 이상, 즉 필요 산소를 공급하기 위해 순수 산소 공급 유량 대비 10배 이상의 유량을 공급해야 하므로, 상기 가습기(20)의 가습 효율을 높이기 위해 가습기(20)내 다수의 중공사막(30)은 많은 개수가 촘촘한 간격으로 내설된다.

따라서, 연료전지 스택(10)의 공기극(12)로부터 배출되는 습윤기체 즉, 반응을 마친 가습공기는 상기 가습공기 유입구(26)를 통해 가습기(20)내로 유입되고, 이와 함께 에어블로워(16)에 의하여 외기로부터의 건조공기가 상기 건조공기 유입구(22)를 통해 가습기(20)내로 유입되는 바, 상기 반응을 마친 가습공기의 수분이 중공사막(30)의 내부로 침투되는 동시에 중공사막(30)의 내부를 흐르는 건조공기를 가습시키게 되고, 가습된 공기는 상기 가습공기 출구(24)를 통해 연료전지 스택(10)의 공기극(14)으로 공급되어진다.

이와 같은 연료전지 시스템의 공기 공급 및 그에 따른 가습 작용에 있어서, 연료전지의 고출력 기동시 또는 순간적인 공기유량 증가가 요구될 때, 상기 에어블러워에 배압이 많이 걸려 전력소모가 심하게 발생하는 단점이 있다.

특히, 에어블로워의 배압은 공기가 가습기의 중공사막 내부를 통과할 때 25%, 연료전지스택의 공기채널을 통과할 때 25%, 연료전지스택에서 배출되어 가습기내의 중공사막 외부를 통과할 때 50%가 걸리게 되어, 결국 에어블로워에 걸리는 배압으로 인하여 연료전지의 고출력 기동시 또는 순간적인 가속을 위한 유량 증가요구를 만족시키지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지스택으로 순간적인 공기유량 증가가 필요할 때 또는 고출력 기동이 필요할 때, 에어블로워의 후단에 걸리는 배압을 줄여주어, 연료전지스택에 공급되는 공기의 유량을 크게 증가시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 가습기에 외기를 제공하는 에어블로워와, 외기를 가습시켜 연료전지스택의 공기극으로 공급하는 가습기와, 상기 공기극 출구와 가습기간에 연결된 공기배출라인을 포함하는 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치에 있어서, 상기 가습기의 출구 위치에 공기극으로 공급되는 공기의 습도 검출을 위한 습도센서를 장착하고, 상기 공기배출라인의 임의 위치에 외기와 연결되는 바이패스 라인을 연결하며, 상기 습도센서에서 검출되는 습도량에 따라 개폐되는 에어블로워 배압조절용 밸브를 상기 바이패스 라인에 장착하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 가습기 출구의 공기습도를 검출하는 단계와; 상기 가습기 출구의 공기습도가 기준치 미만이면, 연료전지스택의 공기극 출구를 통해 배출되는 습윤공기가 가습기내로 공급되는 단계와; 상기 가습기 출구의 공기습도가 기준치 이상이면, 연료전지스택의 공기극 출구를 통해 배출되는 습윤공기의 일부를 외기로 바이패스시키는 단계와; 상기 습윤공기의 일부를 외기로 바이패스시킴에 따라, 연료전지스택의 공기극으로 공기를 공급하는 에어블로워의 배압이 감소되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 연료전지스택의 공기극에서 배출되는 습윤공기를 외기로 바이패스시키는 단계는, 상기 연료전지 스택의 공기극 출구와 상기 가습기의 가습공기 유입구를 연결하는 공기배출라인에서 외기쪽으로 분기된 바이패스 라인을 통해 이루어지되, 상기 바이패스라인에 장착된 에어블로워 배압조절용 밸브의 열림각도가 조절되며 이루어지는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 가습기 출구의 공기습도가 기준치 이상이면서, 연 료전지스택에 공급하기 위한 공기요구량이 감소되지 않으면, 상기 에어블로워 배압조절용 밸브가 열리되, 상기 공기요구량의 함수에 따라 밸브의 열림각이 결정되는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

전술한 바와 같이, 연료전지 차량의 고출력 기동시, 또는 순간적인 가속시 에어블로워의 흡입 작동에 의하여 스택쪽으로 공급되는 공기 유량이 크게 증가되어 야 하지만, 에어블로워에 배압이 많이 걸리게 됨과 함께 전력소모가 심하게 발생하는 단점이 있었다.

이러한 단점을 해결하기 위한 본 발명은 에어블로워의 배압을 줄여주는 동시에 배압의 감소에 따라 연료전지스택에 공급되는 공기의 유량을 크게 증가시켜, 순간적인 공기유량 증가를 요하는 경우와 고출력 기동을 요하는 경우를 충족시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

이를 위한 본 발명의 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치는 첨부한 도 3에 도시된 바와 같다.

도 3에서 보듯이, 본 발명은 가습기(20)의 출구(24) 위치에 습도센서(54)를 부착하고, 연료전지스택(10)의 공기극(14)과 가습기(20)간에 연결된 공기배출라인(40)의 임의 위치에 외기와 연결되는 바이패스 라인(50)을 연결하며, 상기 습도센서(54)에서 검출되는 습도량에 따라 개폐되는 에어블로워 배압조절용 밸브(52)를 상기 바이패스 라인(50)에 장착시킨 점에 구성상 특징이 있다.

이때, 상기 에어블로워(16)의 배압이 가장 많이 걸리는 부분은 연료전지스택(10)의 공기극(14) 출구이므로, 공기극(14) 출구와 상기 가습기(20)의 가습공기 유입구(26)간을 연결하는 공기배출라인(40)에 바이패스 라인(50)을 형성한 것이고, 또한 고유량이 필요할 때와 순간적인 유량 증대가 필요할 때에만 공기극(14)에서 배출되는 가습공기를 외기로 배출시키고자 상기 바이패스 라인(50)에 에어블로워 배압조절용 밸브(52)를 장착시킨 것이다.

따라서, 상기 가습기(20)의 출구(24) 위치에 장착된 습도센서(54)에서 가습 기(20)를 통과한 공기의 습도가 기준치인 100% 미만이면, 상기 에어블로워 배압조절용 밸브(52)를 닫아 평상시와 같이 중공사막(30) 튜브 외부에 습윤공기를 공급하여 중공사막(30) 튜브를 습윤상태로 만들고, 반대로 습도가 기준치인 100% 이상이면서 가속시나 고출력 기동시에는 상기 에어블로워 배압조절용 밸브(52)를 열어서 에어블로워(16)의 배압을 줄임으로써, 스택(10)에 공급되는 공기유량을 증대시킬 수 있다.

이러한 구성을 기반으로 하는 본 발명의 공기 공급 제어 방법을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 방법을 설명하는 개략도이다.

연료전지 시스템의 동작시, 상기 에어블로워(16)를 통하여 여과된 외부공기 즉, 건조공기가 가습기(20)내로 공급되는데, 이 건조공기는 가습기(20)내의 중공사막(30)의 내부를 흐르게 된다.

이때, 상기 가습기(20)의 출구(24)에 장착된 습도센서(54)에서 연료전지스택(10)의 공기극(14)으로 공급되는 공기습도를 검출하여, 그 습도가 100% 미만이면, 상기 배압조절용 밸브(52)는 닫힘 상태를 유지하게 되어, 평상시와 같이 연료전지스택(10)의 공기극(14) 출구를 통해 배출되는 습윤공기의 전부가 가습기내로 공급된다.

즉, 상기 가습기(20)를 통과한 가습공기가 연료전지스택(10)의 공기극(14)으로 공급되어 전기 생성을 위한 반응을 하게 되고, 이후 공기극(14)에서 반응을 마 친 가습공기는 공기극(14)의 출구 및 공기배출라인(40)을 경유하여 가습기(20)내로 공급된다.

다시 말해서, 상기 공기극(14)에서 반응을 마친 가습공기는 공기배출라인(40)를 경유하여 가습기(20)의 가습공기 유입구(26)를 통해 중공사막(30)의 외경부로 유입되고, 유입된 가습공기는 중공사막(30)의 내부로 침투되어 에어블로워(16)에 의하여 공급된 건조공기를 가습하는 역할을 하게 된다.

상기 가습기(20)의 출구(24)를 흐르는 공기습도가 기준치인 100% 이상이면서, 연료전지 차량의 고출력 기동시 또는 순간적인 가속시와 같이 연료전지스택에 공급하기 위한 공기요구량이 감소되지 않으면, 제어기(미도시됨)에 의한 상기 배압조절용 밸브(52)의 열림 제어가 이루어진다.

따라서, 연료전지스택(10)의 공기극(14) 출구를 통해 배출되는 습윤공기의 일부가 바이패스라인(50)에 장착된 배압조절용 밸브(52)를 거쳐 외부로 배출되며, 이때 상기 습윤공기의 일부를 외기로 바이패스시킴에 따라 연료전지스택(10)의 공기극(14)으로 공기를 공급하는 에어블로워(16)의 배압이 감소되어진다.

이때, 상기 배압조절용 밸브(52)는 고출력 기동시 또는 순간적인 가속시와 같이 연료전지스택(10)에 공급하기 위한 공기요구량의 함수에 따라 그 열림각이 결정될 수 있다.

이와 같이, 에어블로워(16)의 공기 공급시, 가장 배압이 많이 걸리는 연료전지스택(10)의 공기극(14) 출구와 상기 가습기(20) 사이를 연결하는 공기배출라인(40)에 별도의 바이패스라인(50)을 더 두고, 바이패스라인(50)에 열림각 조절 가 능한 배압조절용 밸브(52)를 장착함으로써, 고유량이 필요할 때와 순간적인 유량증대가 필요할 때 에어블로워의 배압 즉, 연료전지 시스템의 공기 흐름 구간중 후단부(연료전지스택의 공기극 출구)에 작용하는 배압을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 에어블로워에 의한 공기 공급 유량을 용이하게 증대시킬 수 있다.

도 1은 종래의 연료전지 시스템의 공기 공급 및 가습을 위한 구성을 설명하는 개략도,

도 2는 연료전지 시스템 구성중 가습기 구조를 설명하는 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치를 나타내는 개략도,

도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 방법을 설명하는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료전지 스택 14 : 공기극

16 : 에어블로워 20 : 가습기

22 : 건조공기 유입구 24 : 가습공기 출구

26 : 가습공기 유입구 28 : 가습공기 배출구

30 : 중공사막 40 : 공기배출라인

50 : 바이패스라인 52 : 배압조절용 밸브

54 : 습도센서

Claims

가습기에 외기를 제공하는 에어블로워와, 외기를 가습시켜 연료전지스택의 공기극으로 공급하는 가습기와, 상기 공기극 출구와 가습기간에 연결된 공기배출라인을 포함하는 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치에 있어서,

상기 가습기의 출구 위치에 공기극으로 공급되는 공기의 습도 검출을 위한 습도센서를 장착하고, 상기 공기배출라인의 임의 위치에 외기와 연결되는 바이패스 라인을 연결하며, 상기 습도센서에서 검출되는 습도량에 따라 개폐되는 에어블로워 배압조절용 밸브를 상기 바이패스 라인에 장착하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치.
가습기 출구의 공기습도를 검출하는 단계와;

상기 가습기 출구의 공기습도가 기준치 미만이면, 연료전지스택의 공기극 출구를 통해 배출되는 습윤공기가 가습기내로 공급되는 단계와;

상기 가습기 출구의 공기습도가 기준치 이상이면, 연료전지스택의 공기극 출구를 통해 배출되는 습윤공기의 일부를 외부로 바이패스시키는 단계와;

상기 습윤공기의 일부를 외기로 바이패스시킴에 따라, 연료전지스택의 공기극으로 공기를 공급하는 에어블로워의 배압이 감소되는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 방법.
청구항 2에 있어서,

상기 연료전지스택의 공기극에서 배출되는 습윤공기를 외기로 바이패스시키는 단계는,

상기 연료전지 스택의 공기극 출구와 상기 가습기의 가습공기 유입구를 연결하는 공기배출라인에서 외기쪽으로 분기된 바이패스 라인을 통해 이루어지되, 상기 바이패스라인에 장착된 배압조절용 밸브의 열림각도가 조절되며 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 방법.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,

상기 가습기 출구의 공기습도가 기준치 이상이면서, 연료전지스택에 공급하기 위한 공기요구량이 감소되지 않으면, 상기 배압조절용 밸브가 열리되, 상기 공기요구량의 함수에 따라 밸브의 열림각이 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 방법.