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KR101417290B1 - 연료전지 시스템 운전 방법 - Google Patents

연료전지 시스템 운전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 운전 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전치 차량의 주차 중, 연료전지 스택의 공기극으로 확산되어 들어오는 산소를 제거하여 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템 운전 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 차량의 주차시 외기로부터 공기극으로 산소가 확산되는 것을 미연에 차단하고자, 산소농도가 기준치 이상이면 공기극에 수소를 주기적으로 퍼지함으로써, 항상 수소극에서의 수소와 산소 계면 형성을 억제할 수 있고, 그로 인해 연료전지 스택의 전극막 어셈블리에 대한 내구성 저하를 방지할 수 있도록 한 연료전지 시스템 운전 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 시스템 운전 방법{FUEL CELL SYSTEM OPERATING METHOD}
본 발명은 연료전지 시스템 운전 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전치 차량의 주차 중, 연료전지 스택의 공기극으로 확산되어 들어오는 산소를 제거하여 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템 운전 방법에 관한 것이다.
환경 친화적인 미래형 자동차 개발을 위해 각 자동차 회사들은 수소 연료전지 자동차에 큰 관심을 갖고 개발하고 있으며, 이러한 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템 구성은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하도록 공기블로워 및 가습기를 포함하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등으로 나누어 볼 수 있다.
상기 연료전지 스택은 연료전지 자동차의 주 에너지원인 전기를 생산하는 일종의 발전장치로서, 전극막 어셈블리를 사이에 두고 수소가 공급되는 연료극과 공기가 공급되는 공기극이 적층된 구조를 가지며, 공기중의 산소와 외부에서 공급된 수소가 화학적으로 반응하여 전기에너지를 발생시키는 장치를 말한다.
따라서, 연료전지 시스템의 운전 중, 전기에너지의 생성을 위하여 고순도의 수소가 연료전지의 연료극(anode)으로 공급되고, 이와 동시에 에어블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.
그에 따라, 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 발생시키게 된다.
이렇게 생성된 전기에너지는 연료전지 차량의 주행모터에서 사용됨으로써, 연료전지 스택이 탑재된 연료전지 차량의 주행이 이루어진다.
연료전지 차량의 주행을 마친 후, 연료전지 차량의 주차 중 연료전지 스택의 공기극쪽으로 확산되어 들어오는 산소에 의해 수소극에서 수소와 산소 간의 계면이 형성되는 동시에 고전위 유지 시간이 길어지게 되고, 이는 연료전지스택의 전극막 어셈블리(MEA)의 내구성을 저하시키는 요인으로 작용하는 문제점이 있다.
이러한 전극막 어셈블리(MEA)의 내구성 저하 문제를 해결하기 위한 종래 기술의 일례로서, 미국특허 US6887599에는 연료전지 차량의 스타트업(Start Up)시 수소극에 수소를 먼저 공급하여 수소극 측에 형성된 수소와 산소 계면을 제거한 후, 공기극에 대한 공기 공급을 시작하는 연료 퍼지를 이용한 연료전지 시스템의 스타트 업 방법이 개시되어 있다.
그러나, 연료전지 스타트 업 시, 수소극에서의 수소와 산소 계면 제거를 위한 유지 시간이 필요한 단점이 있다.
종래 기술의 다른 예로서, 미극특허출원 US20060046106에는 연료전지 스택의 내구성 향상을 위하여, 연료전지 차량의 스타트 업 및 셧다운시, 먼저 수소 및 공기극에 동시에 수소를 공급(purge)해 줌으로써, 수소극에서 발생 가능한 수소와 산소 간의 계면 형성부를 제거하는 기술이 개시되어 있다
그러나, 차량의 스타트 업 및 셧다운시에만 수소 및 공기극에 수소를 퍼지할 뿐, 연료전지 차량의 주차 중 공기극 측으로 확산되는 산소로 인하여 수소극에서의 수소와 산소 간의 계면이 형성되는 동시에 고전위 유지시간이 길어짐에 따른 연료전지 스택의 내구성 저하 현상이 초래되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 차량의 주차시 외기로부터 공기극으로 산소가 확산되는 것을 미연에 차단하고자, 산소농도가 기준치 이상이면 공기극에 수소를 주기적으로 퍼지함으로써, 항상 수소극에서의 수소와 산소 계면 형성을 억제할 수 있고, 그로 인해 연료전지 스택의 전극막 어셈블리에 대한 내구성 저하를 방지할 수 있도록 한 연료전지 시스템 운전 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 연료전지 차량의 시동 오프 상태에서의 주차 시, 주차 시간에 따른 연료전지스택의 공기극에 대한 산소 농도를 측정하는 단계와; 주차 시간에 따른 산소 농도를 기반으로 공기극에 대한 수소 퍼지 주기를 결정하는 단계와; 결정된 수소 퍼지 주기마다 공기극에 수소를 퍼지시켜 공기극에 존재하는 산소를 제거하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 수소 퍼지 주기는: 주차 시간이 증가함에 따라 공기극 내의 산소 농도가 기준치를 초과하는 시점으로 정해지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 산소 농도 기준치는 공기극내에 산소를 강제 유입시켜 스택의 산소 농도별 개회로전압을 모니터링하고, 모니터링된 개회로전압이 기준치 이상으로 증가되는 시점에서의 산소 농도로 정해지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 산소 농도는 공기극 측에 장착된 산소센서에 의하여 측정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 연료전지 차량의 주차 후, 스타트 업 시, 고전위 유지시간없이 수소극 및 공기극에 각각 수소 및 공기가 동시에 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 차량의 주차 시, 주차시간에 따른 공기극의 산소농도를 측정하여, 측정된 산소 농도가 기준치 이상이면 공기극에 수소를 주기적으로 퍼지하여 제거해줌으로써, 항상 수소극에서의 수소와 산소 계면 형성을 억제할 수 있다.
따라서, 기존에 수소와 산소 계면 형성에 따른 전극막 어셈블리의 부식 현상으로 인해 내구성이 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 결국 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템 운전 방법의 일 실시예로서, 주차시간에 따른 공기극 측 산소 농도 측정 결과를 보여주는 그래프,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템 운전 방법의 일 실시예로서, 공기극 측의 산소 농도에 따른 셀전압을 측정한 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템 운전 방법의 일 실시예로서, 주차 후 스타드 업 시, 공기극 측 산소 농도에 따른 스택 전압 거동을 측정한 그래프,
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 연료전지 차량의 주차 시, 외기로부터의 산소가 공기극으로 점차 확산되어 수소극으로 넘어가 수소와 계면을 형성하는 것을 미연에 방지할 수 있도록 주차 시간에 따른 산소 농도 변화를 감지하여 주기적인 수소 퍼지를 실시하는 점에 주된 특징이 있다.
이를 위해, 연료전지 차량의 시동 오프 상태에서의 주차 시, 주차 시간에 따른 연료전지스택의 공기극에 대한 산소 농도를 측정하는 단계가 선행된다.
상기 공기극에 대한 산소 농도 측정은 공기극에 직접 산소센서를 장착하여 측정하는 것이 바람직하고, 또는 주변 환경 인자(외기온, 고도, 외기 상대습도 등)을 고려한 실측치 기반의 통상적인 산출법을 이용하여 계산할 수 있다.
이렇게 연료전지 차량의 주차 시간에 따른 산소 농도를 측정한 후, 이 측정된 결과를 기반으로 공기극에 대한 수소 퍼지 주기를 결정할 수 있으며, 그 일례는 첨부한 도 1에 도시된 바와 같다.
도 1은 연료전지 차량의 주차 시간에 따른 공기극의 산소농도 변화를 측정한 그래프로서, 주차 시간이 증가할수록 외기로부터의 산소가 공기극으로 점차 확산되어 증가함을 알 수 있다.
이렇게 측정된 주차 시간별 공기극 산소농도 변화 데이터를 기반으로 수소 퍼지 주기를 결정할 수 있으며, 바람직하게는 공기극으로 확산된 산소 농도가 전극막 어셈블리의 내구성에 영향을 미치지 않을 정도, 일례로서 산소농도 기준치가 0.01%를 넘는 시점을 수소 퍼지 주기로 결정할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 산소 농도 기준치를 결정하는 방법으로서, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 공기극내에 산소를 강제 유입시켜 스택의 산소 농도별 개회로전압(OCV: Open Circuit Voltage)을 모니터링하는 실험을 하고, 모니터링된 개회로전압이 기준치 이상으로 증가되는 시점에서의 산소 농도를 기준치로 정하게 된다.
이때, 개회로전압이 기준치 이상이라는 의미는 연료전지차량의 주차 중 공기극으로 확산된 산소가 수소극내의 잔존 수소와 반응하여 고전위가 발생할 때, 고전위로 인해 전극막 어셈블리에 부식이 초래되는 수준을 의미하며, 이에 개회로전압을 기준치 이하로 관리하는 것이 바람직하다.
따라서, 위와 같은 실험을 통하여 개회로전압이 기준치 이상으로 증가되는 시점에서의 산소 농도를 산소 농도 기준치로 정하게 된다.
상기와 같이 수소 퍼지 주기가 결정되면, 연료전지 차량의 주차 시, 수소 퍼지 주기마다 공기극에 수소를 퍼지시켜 공기극에 존재하는 산소를 외부로 배출시키는 산소 제거 단계가 이루어진다.
즉, 외기로부터 공기극으로 확산된 산소 농도가 기준치 이상이면 공기극에 수소를 주기적으로 퍼지하여 제거해 줌으로써, 연료전지 차량의 주차 중 항상 수소극에서의 수소와 산소 계면 형성을 억제할 수 있고, 결국 전극막 어셈블리의 부식 현상으로 인한 연료전지 스택의 내구성 저하를 용이하게 방지할 수 있다.
첨부한 도 3은 주차 후 스타드 업 시, 공기극 측 산소 농도에 따른 스택 전압 거동을 측정한 그래프로서, 파란색 라인은 주차시 공기극에 대한 수소 퍼지로 인하여 산소농도가 기준치 이하(0.01%)로 관리된 상태를 나타내고, 붉은색 라인은 산소농도를 기준치 이상(1.0%)로 관리시킨 상태를 나타낸다.
도 3에서, a 구간은 연료전지 차량의 주차 후에 시동을 거는 초기 구간이고, b 구간은 수소극 및 공기극에 각각 수소 및 공기가 동시에 공급되기 시작하는 구간이며, c 구간은 시동이 완료된 구간을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 산소농도를 기준치 이상(1.0%)로 관리시킨 경우, 시동이 완료되기 전에 공기극으로 확산된 산소가 수소극으로 넘어가 수소와 산소 간의 계면이 형성됨에 따라, b 구간의 붉은색 라인과 같이 고전위가 발생하여, 고전위 유지시간이 길어짐에 따른 연료전지 스택의 내구성 저하 현상이 초래될 수 있다.
참고로, 연료전지 차량의 스타트업 및 셧다운(start up/shut down)시 연료전지의 공기극(cathode)내의 산소로 인한 화학적 반응 및 그에 따른 개회로전압이 발생하게 되어, 스택내의 촉매 담지 카본의 부식 초래와 함께 스택의 내구성 저하가 발생될 수 있는 바, 이러한 문제점을 해소하기 위하여 COD 겸용 히터에 포함된 일종의 저항체인 COD(Cathode Oxygen Depletion)가 스택의 양단자에 연결되어 개회로전압을 제거하게 된다.
반면에, 산소농도를 기준치 이하(0.01%)로 관리시킨 경우, 수소와 산소 간의 계면 형성을 방지할 수 있고, 이에 b 구간의 파란색 라인과 같이 고전위가 발생하지 않아, 결국 고전위 유지 시간없이 수소극 및 공기극에 각각 수소 및 공기를 동시에 공급할 수 있으므로, 결국 고전위에 의한 연료전지 스택의 내구성 저하 현상이 방지할 수 있다.

Claims (5)

  1. 연료전지 차량의 시동 오프 상태에서의 주차 시, 주차 시간에 따른 산소 농도를 기반으로 공기극에 대한 수소 퍼지 주기를 결정하는 단계;
    결정된 수소 퍼지 주기마다 공기극에 수소를 퍼지시켜 공기극에 존재하는 산소를 제거하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 수소 퍼지 주기는 주차 시간이 증가함에 따라 공기극 내의 산소 농도가 기준치를 초과하는 시점으로 정해진 주차 시간별 공기극 산소농도 변화 데이터를 기반으로 결정함과 더불어 상기 산소 농도 기준치는 공기극내에 산소를 강제 유입시켜 스택의 산소 농도별 개회로전압을 모니터링하고, 모니터링된 개회로전압이 기준치 이상으로 증가되는 시점에서의 산소 농도로 정하며,
    연료전지 차량의 주차 후, 스타트 업 시, 고전위 유지 시간없이 곧바로 수소극 및 공기극에 각각 수소 및 공기가 동시에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소 농도는 공기극 측에 장착된 산소센서에 의하여 측정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 방법.
  5. 삭제
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