KR100742301B1 - Fuel cell system and operating method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지스택이 공급하는 직류전원의 제1 실시예를 나타낸 개략도이다.FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a first embodiment of a DC power source supplied by the fuel cell stack shown in FIG. 1.
도 3은 도 2에 도시된 연료전지스택 내에 발생되는 특정 셀의 이상 유무에 따라 전력을 분배하는 방법을 도시한 흐름도이다.FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of distributing power depending on whether a specific cell is generated in the fuel cell stack illustrated in FIG. 2.
도 4는 도 1에 도시된 연료전지스택이 공급하는 직류전원의 제2 실시예를 나타낸 개략도이다.4 is a schematic diagram illustrating a second embodiment of a DC power source supplied by the fuel cell stack shown in FIG. 1.
도 5는 도 4에 도시된 연료전지스택 내에 발생되는 특정 셀의 이상 유무에 따라 전력을 분배하는 방법을 도시한 흐름도이다.FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of distributing power according to whether a specific cell is generated in the fuel cell stack illustrated in FIG. 4.
도 6은 도 1에 도시된 연료전지스택의 냉각수 온도를 변화시키면서 출력 셀 전압이 시간에 따라 변화됨을 나타낸 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing that the output cell voltage changes with time while changing the coolant temperature of the fuel cell stack shown in FIG. 1.
도 7은 도 1에 도시된 연료전지스택의 출력전력을 여러 단계로 증가시키면서 출력 셀 전압이 시간에 따라 변화됨을 나타낸 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing that the output cell voltage changes with time while increasing the output power of the fuel cell stack shown in FIG.
도 8은 도 6 및 도 7에 도시된 결과를 반영하여 연료전지스택 내의 특정 셀의 이상을 미리 예측하고서 작동되는 단계를 도시한 흐름도이다.FIG. 8 is a flowchart illustrating a process of predicting an abnormality of a specific cell in a fuel cell stack in advance by reflecting the results shown in FIGS. 6 and 7.
도 9는 도 8에 도시된 작동단계에 따라 실시된 연료전지스택의 출력 전압을 나타낸 그래프이다.FIG. 9 is a graph showing an output voltage of a fuel cell stack implemented according to the operation step shown in FIG. 8.
도 10은 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.10 is a schematic diagram of a fuel cell system according to the prior art.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※※ Explanation of code about main part of drawing ※
100, 200 : 연료전지 시스템 110, 210 : 연료전지스택100, 200:
120, 220 : 연료공급장치 130, 230 : 산화제공급장치120, 220:
140, 240 : 냉각장치 150, 250 : 전원분배장치140, 240:
본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 연료전지스택에서 특정 셀의 전압이 과도하게 저하되는 현상을 방지하여 안정적인 전력을 공급하는 연료전지 시스템 및 그 작동방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and more particularly, a fuel supplying stable power by preventing an excessive drop in voltage of a specific cell in a fuel cell stack. A battery system and a method of operating the same.
고분자 전해질 연료전지는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 수소를 함유한 연료가스와 산소를 함유한 공기를 사용하여 전기화학반응을 일으켜 전기 및 열을 발생시킨다. 이런 고분자 전해질 연료전지는 빠른 시동능력이 있으며, 소형화할 수 있어 이동용 전원, 자동차용 전원, 가정용 열병합 발전설비 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell using a polymer membrane having a hydrogen ion exchange characteristic as an electrolyte, and generates electricity and heat by causing an electrochemical reaction using a fuel gas containing hydrogen and air containing oxygen. Such a polymer electrolyte fuel cell has a fast starting capability and can be miniaturized, and thus, the polymer electrolyte fuel cell is widely used in various fields such as a mobile power source, an automotive power source, and a home cogeneration plant.
도 10은 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.10 is a schematic diagram of a fuel cell system according to the prior art.
도 10에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 연료전지 시스템(200)은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하는 연료전지스택(210)과, 천연가스(LNG) 또는 액화석유가스(LPG)와 같은 탄화수소계열의 발전원료(F)를 수소가 많은 가스로 개질하여 연료전지스택(210)에 공급하는 연료공급장치(220)와, 연료전지스택(210)에 산소가 함유된 산화제를 공급하는 산화제공급장치(230), 연료전지스택(210)을 냉각시키는 냉각장치(240)를 주된 구성요소로 구비하며, 그 외에도 기동, 정지, 발전상태 유지 등의 동작을 수행하기 위한 제어기, 펌프, 밸브, 각종 센서 등과 같이 전력을 필요로 하는 주변장치(BOP; Balance of Plants)들을 구비한다. As shown in FIG. 10, the
그리고, 종래기술의 연료전지 시스템(200)은 전력이 필요한 다수의 주변장치(BOP)들에게 연료전지스택(210)에서 생산된 전력을 각각 분배 공급하기 위한 전원분배장치(250)를 구비하며, 초기 기동시 주변장치(BOP)에 기동 전력을 제공하고 연료전지스택(210)에서 전력이 생산된 후에 그 공급을 중단하는 외부 교류전력(260) 또는 배터리(261)와 같은 보조전원기도 구비한다. 즉, 종래기술의 연료전지 시스템(200)은 초기 기동시에 보조전원기가 각종 주변장치(BOP)의 기동 전력을 제공하고, 연료공급장치(220)와 냉각장치(240) 등이 안정화되면서 연료전지스택(210)에서 발생된 직류전력을 각종 주변장치(BOP)가 사용한다.In addition, the conventional
하지만, 종래기술의 연료전지 시스템(200)은 그 운전 유지 과정에서 특정 셀의 전압이 소정의 기준 값 이하로 내려가서 그 운전이 지속되는 경우에 해당 셀의 전극이 파괴되고, 이상이 있는 특정 셀로 인해서 다른 근접한 셀들도 점점 약화되 는 문제점이 있어서, 특정 셀에 이상이 있는 경우에 출력을 줄인다거나 운전을 정지하는 등의 조치가 필요하다. 하지만, 실제적으로 종래기술의 연료전지 시스템(200)은 어떤 특정 셀의 전압이 지속적으로 낮아지는 경우보다 특정 셀에 이상이 있으면 그 기동 정지 및 운전 조건의 변경시 열 밸런스가 이동하면서 전기화학반응으로 생성된 물이 일시적으로 가스의 이동경로를 막는 문제점 등이 발생된다. 그래서, 종래에는 연료전지스택(210)의 출력을 줄이거나 전력생산을 잠시 중단시키지만, 이 또한 안정적으로 전력을 공급하지 못하기 때문에 실질적인 문제 해결방법이 될 수 없다. However, in the
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 전원분배장치를 통해 전력소모원인 각종 주변장치(BOP)가 필요로 하는 전력을 연료전지스택에서 공급되는 2개 이상의 전력원 중에서 선택적으로 사용할 수 있게 구성함으로써 연료전지스택 내에서 이상이 있는 특정 셀에서 각종 주변장치(BOP)로 공급하기 위한 전력생산을 방지하여 안정적으로 발전전력을 공급하는 연료전지 시스템 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the problems of the prior art as described above, two or more power sources supplied from the fuel cell stack to the power required by the various peripheral devices (BOP) that is a power consumption source through the power distribution device Provides a fuel cell system and a method of operating the same, by stably supplying generated power by preventing power generation for supplying to various peripheral devices (BOPs) in a specific cell in the fuel cell stack by configuring to be used selectively. Its purpose is to.
본 발명의 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하는 연료전지스택과, 상기 연료전지스택에 수소가 함유된 개질가스를 공급하는 연료공급장치와, 상기 연료전지스택에 산소가 함유된 산화제를 공급하는 산화제공급장치와, 상기 연료전지스택에서 생산된 전력을 이용하여 시스템의 기동, 정 지, 발전상태 유지 동작을 수행하는 다수의 주변장치(BOP; Balance of Plants), 및 상기 연료전지스택에서 생산된 전력을 상기 다수의 주변장치(BOP)로 각각 분배 공급하는 전원분배장치를 포함한다. 특히, 상기 연료전지스택은 그 내부에 순차적으로 적층된 다수의 단위 셀들을 2개 이상의 영역으로 구획하도록 상기 다수의 단위 셀들의 양 단부 및 그 양 단부 사이에서 해당 영역의 단위 셀들이 생산한 전류를 집적하는 전류집전체가 각각 위치하고, 상기 전원분배장치는 상기 연료전지스택 내의 2개 이상의 영역에서 각각 생산되는 전력들 중에서 특정 영역의 전력을 상기 다수의 주변장치(BOP)에 선택적으로 분배 공급하는 것을 특징으로 한다. The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell stack for producing direct current power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a fuel supply device for supplying reformed gas containing hydrogen to the fuel cell stack, and a fuel cell stack for the fuel cell stack. An oxidant supply device for supplying an oxidant containing oxygen, and a plurality of BOPs (Balance of Balances) for starting, stopping, and maintaining a power generation state by using the power generated by the fuel cell stack, And a power distribution device configured to distribute and supply the power produced by the fuel cell stack to the plurality of peripheral devices (BOPs). In particular, the fuel cell stack is configured to divide the current generated by the unit cells of the corresponding region between both ends of the plurality of unit cells and the both ends of the plurality of unit cells sequentially stacked therein into two or more regions. The current collectors to be integrated are respectively located, and the power distribution unit selectively distributes and supplies power of a specific region to the plurality of peripheral devices (BOP) among powers produced in two or more regions in the fuel cell stack. It features.
또한, 본 발명은 상기 주변장치(BOP)의 초기 기동 전력을 제공하며 상기 연료전지스택에서 전력이 생산된 후에 전력 공급을 중단하는 보조전원기를 더 포함하는 것이 바람직하다. In addition, the present invention preferably further includes an auxiliary power supply for providing initial starting power of the peripheral device (BOP) and stopping the power supply after the power is produced in the fuel cell stack.
또한, 본 발명의 상기 전류집전체는 접촉저항이 적고 허용전류가 높은 소재인 것이 바람직하다. In addition, the current collector of the present invention is preferably a material having a low contact resistance and a high allowable current.
또한, 본 발명의 상기 연료전지스택은 직렬 또는 병렬로 연결되는 다수의 연료전지스택들로 구성되며, 상기 전원분배장치는 상기 다수의 연료전지스택들에 각각 연결되어 상기 다수의 연료전지스택들 중에서 이상이 발생되거나 이상이 발생될 것으로 예측되는 연료전지스택에 대한 부하가 감소되게 작동되는 것이 바람직하다. In addition, the fuel cell stack of the present invention is composed of a plurality of fuel cell stacks connected in series or in parallel, the power distribution device is connected to each of the plurality of fuel cell stacks of the plurality of fuel cell stacks It is desirable to operate such that the load on the fuel cell stack in which an abnormality occurs or is predicted to occur is reduced.
본 발명의 연료전지 시스템의 작동방법으로서 상기 주변장치(BOP)가 상기 연료전지스택에서 생산된 전력을 사용하도록 분배 공급하는 방법은, 상기 전류집전체에 의해 구획된 2개 이상의 영역 중 이상이 발생되거나 이상이 발생될 것으로 예측 되는 어떤 특정 셀이 위치한 영역을 선택하는 제1 단계와, 상기 제1 단계에서 선택된 특정 셀의 영역을 제외하고, 나머지 영역들에서 발생되는 전력을 상기 주변장치(BOP)가 선택적으로 사용하도록 상기 전원분배장치가 분배 연결하는 제2 단계를 포함한다. As a method of operating the fuel cell system of the present invention, a method of distributing and supplying the peripheral device (BOP) to use the electric power produced by the fuel cell stack includes an abnormality among two or more regions partitioned by the current collector. The first step of selecting a region in which a specific cell is located or predicted to cause an abnormality, and the power generated in the remaining regions except for the region of the specific cell selected in the first stage, the peripheral device BOP. And a second step of distributing and connecting the power distribution unit so as to selectively use.
또한, 본 발명은 상기 제1 단계에서 첫 번째 적층된 셀과 마지막으로 적층된 셀이 위치한 영역에서 이상이 발생되는지를 가장 먼저 검색하는 것이 바람직하다. In addition, the present invention preferably searches first for an abnormality in the region where the first stacked cells and the last stacked cells are located in the first step.
또한, 본 발명은 상기 연료전지스택이 전력을 생산하기 이전에 상기 주변장치(BOP)가 필요로 하는 초기 기동 전력을 외부 보조전원기로부터 제공받는 것이 바람직하다. In addition, the present invention preferably receives the initial starting power required by the peripheral device (BOP) from the external auxiliary power supply before the fuel cell stack generates power.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하는 연료전지스택(110)과, 발전원료(F)를 수소가 많은 개질가스로 개질하여 연료전지스택(110)에 개질가스를 공급하는 연료공급장치(120)와, 연료전지스택(110)에 산소가 함유된 산화제를 공급하는 산화제공급장치(130)와, 연료전지스택(110)을 냉각시키는 냉각장치(140)와, 연료전지스택(110)에서 생산된 직류(DC)전력을 교류(AC)전력으로 변환하는 전력변환기와, 연 료전지스택(110)에서 생산된 전력을 이용하여 시스템의 기동, 정지, 발전상태 유지 동작을 수행하는 다수의 주변장치(BOP; Balance of Plants), 및 연료전지스택(110)에서 생산된 전력을 다수의 주변장치(BOP)로 각각 분배 공급하는 전원분배장치(150)를 구비한다. 그 외에도 연료전지 시스템(100)은 주변장치(BOP)의 초기 기동 전력을 제공하고서 연료전지스택(110)에서 전력이 생산된 후에 전력 공급을 중단하는 외부 교류전력(160) 또는 배터리(161)와 같은 보조전원기를 더 구비한다.As shown in FIG. 1, the
도 2는 도 1에 도시된 연료전지스택이 공급하는 직류전원의 제1 실시예를 나타낸 개략도이고, 도 3은 도 2에 도시된 연료전지스택 내에 발생되는 특정 셀의 이상 유무에 따라 전력을 분배하는 방법을 도시한 흐름도이다.FIG. 2 is a schematic view showing a first embodiment of a DC power supply supplied by the fuel cell stack shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a distribution of power depending on an abnormality of a specific cell generated in the fuel cell stack shown in FIG. 2. It is a flowchart showing the method.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료전지스택(110)은 그 내부에 순차적으로 적층된 다수의 단위 셀들의 양 단부 및 그 양 단부 사이에 전류집전체가 각각 위치하여, 다수의 단위 셀들이 2개 이상의 영역으로 구획된다. 전류집전체는 해당 영역의 단위 셀들이 생산한 전류를 집적하는 수단으로 운전 조건과 사양에 따라 다른 형태 또는 소재가 사용될 수 있지만, 특별하게 형상에 제약되지 않고 접촉저항이 작으며 허용전류가 높다면 핀이나 클립 등이어도 무방하다. As shown in FIGS. 1 to 3, the
도 1 및 도 2에 도시된 도면번호 8은 연료전지스택(110) 내에서 발생되는 전체 전압을 의미하며, 3개의 영역으로 구획된 경우에 8-1이 제1 영역에서 발생되는 전압을, 8-2가 제2 영역에서 발생되는 전압을, 8-3이 제3 영역에서 발생되는 전압을 각각 의미한다. 다수의 단위 셀들이 3개를 초과하여 구획되는 경우에는 n 번째 위치하는 영역이 각각 8-n으로 표시된다. 그리고, 연료전지스택(110)에서 발생된 전압은 릴레이 또는 반도체 스위칭 소자들과 절연형 DC/DC 컨버터를 이용해 직류 전력원으로 변환되고, 이런 직류 전력원을 사용하는 연료전지 시스템(100)의 주변장치(BOP) 및 전력변환기와 같은 부하들은 7-1, 7-2, ..., 7-m 등으로 세분화되어 표시될 수 있다. In FIG. 1 and FIG. 2,
그리고, 본 실시예의 연료전지 시스템은 다음과 같은 방법에 따라 주변장치(BOP)와 같은 일종의 부하들이 연료전지스택(110)에서 생산된 전력을 선택적으로 사용한다(도 3참조).In the fuel cell system of the present embodiment, a kind of load such as a peripheral device (BOP) selectively uses power generated by the
먼저, 연료전지 시스템(100)은 초기 기동시 연료전지스택(110)에서 전력이 생산되기 이전에 부하(7-1, 7-2, ..., 7-m)들이 필요로 하는 기동 전력을 외부 교류전력(160) 또는 배터리(161)와 같은 보조전원기로부터 공급받고, 연료전지스택(110)에서 안정적으로 전력을 생산한 후에 주변장치(BOP)와 같은 일종의 부하(7-1, 7-2, ..., 7-m)들이 필요한 전력을 연료전지스택(110)으로부터 공급받는다.First of all, the
그런 다음에 연료전지스택(110)이 작동되면서 전력을 생산하는 과정에서 전류집전체에 의해 구획된 2개 이상의 영역 중 어떤 영역 내에 위치한 특정 셀에 이상이 발생되는지를 검색한다. 그런 다음에 이상이 있는 특정 셀의 영역을 제외하고, 나머지 영역들에서 발생되는 전력원을 주변장치(BOP)와 같은 부하들이 선택적으로 사용하도록 전원분배장치(150)가 분배 연결한다. Then, the
즉, 제1 영역에서 발생되는 전압(8-1)이 소정의 기준 값 이하로 낮아지는지를 측정하여, 이상이 있다고 판별되면 연료전지 시스템(100)의 부하(7-1, 7-2, ..., 7-m)들 중 하나가 이상이 없는 나머지 영역(8-2, 8-3, .. , 8-n) 중 하나에서 발생되는 전압을 사용하도록 연결한다. 이와 동일한 과정으로 제2 영역에서 발생되는 전압(8-2)부터 마지막 영역에서 발생되는 전압(8-n)까지 이상이 발생되는지를 판별하고, 연료전지 시스템(100)의 부하(7-1, 7-2, ..., 7-m)들이 모두 이상이 없는 영역으로부터 전력을 공급받도록 한다. That is, by measuring whether the voltage 8-1 generated in the first region is lowered below a predetermined reference value and determining that there is an abnormality, the loads 7-1, 7-2,. One of the 7-m) is connected to use the voltage generated in one of the remaining regions 8-2, 8-3,..., 8-n. In the same process, it is determined whether an abnormality occurs from the voltage 8-2 generated in the second region to the voltage 8-n generated in the last region, and the load 7-1, of the
다만, 보통 부하(7-1, 7-2, ..., 7-m)들 중 하나는 시스템 사용자를 위한 것(예를 들어, DC/AC 인버터, 자동차 모터 구동장치)이고, 이것은 전력원을 변경하는 것이 바람직하지 못하므로 이런 고정 부하를 제외하고 나머지 부하(m-1개)들만이 전력원을 이동할 수 있다. However, one of the normal loads (7-1, 7-2, ..., 7-m) is for system users (eg DC / AC inverters, automotive motor drives), which is a power source It is not advisable to change this, except for this fixed load, only the remaining loads (m-1) can move the power source.
도 4는 도 1에 도시된 연료전지스택이 공급하는 직류전원의 제2 실시예를 나타낸 개략도이고, 도 5는 도 4에 도시된 연료전지스택 내에 발생되는 특정 셀의 이상 유무에 따라 전력을 분배하는 방법을 도시한 흐름도이다.FIG. 4 is a schematic view showing a second embodiment of a DC power supply supplied by the fuel cell stack shown in FIG. 1, and FIG. 5 is a distribution of power depending on an abnormality of a specific cell generated in the fuel cell stack shown in FIG. 4. It is a flowchart showing the method.
본 실시예의 연료전지 시스템(100)에 사용되는 연료전지스택(110) 뿐만 아니라 일반적인 연료전지스택은 다수 개가 적층된 단위 셀들 중에서 일시적인 과도한 가습 또는 부족한 가습으로 인해 일시적인 이상이 가장 빈번하게 발생되는 곳이 첫 번째와 마지막에 위치한 단위 셀이다. 그래서, 본 실시예는 도 4에 도시된 바와 같이 다수 개가 적층된 단위 셀의 양 단부에 전류집전체가 위치하고, 첫 번째와 마지막 단위 셀이 각각 하나의 영역으로 구획되도록 다수 개의 단위 셀들 사이사이에 전류집전체가 위치한다. 그리고, 본 실시예는 연결수단인 스위치 1과 스위치 2가 다수의 전류집전체들에 각각 연결되어, 스위치 1과 스위치 2의 선택에 따라 연료전지스택(110)에서 생산되는 전력원과 그 전력을 필요로 하는 주변장치(BOP)와 같은 부하가 상호 연결된다. 이와 같은 구성으로 도 4에 도시된 연료전지스택(110)도 도 2에 도시된 바와 같이 동일하게 구현될 수 있다.In addition to the
여기서, 도 4에 도시된 연료전지스택(110)은 다수의 영역들 중에서 첫 번째와 마지막 셀이 위치한 영역을 제외한 다수의 단위 셀들이 하나의 영역으로 설정된다. 그리고, n=3, m=2가 되어서 7-1은 전력변환을 거친 후 연료전지발전 시스템의 출력이 되고, 7-2는 시스템 구동에 필요한 주변장치(BOP)의 기동 전력으로 사용된다.Herein, in the
그리고, 상기와 같은 연료전지 시스템(100)은 다음과 같은 방법에 따라 주변장치(BOP)와 같은 일종의 부하들이 연료전지스택(110)에서 생산된 전력을 선택적으로 사용한다(도 5참조).In addition, the
먼저, 연료전지 시스템(100)은 초기 기동시 연료전지스택(110)에서 전력이 생산되기 이전에 부하(7-2)들이 필요로 하는 기동 전력을 외부 교류전력(160) 또는 배터리(161)와 같은 보조전원기로부터 공급받는다. First, the
그런 다음에 연료전지스택(110)이 작동되면서 전력을 생산하는 과정에서 첫 번째 단위 셀 또는 마지막 단위 셀이 위치한 영역의 전압이 저하되는지를 측정하고서, 두 개의 영역이 모두 이상이 있다고 판단되는 경우에 스위치를 조작하여 주변장치(BOP)의 전원(7-2)을 첫 번째 단위 셀과 마지막 단위 셀이 위치한 영역을 제외한 단위 셀들의 영역(8-3)으로 연결한다. 그리고, 첫 번째 단위 셀이 위치한 영역에 이상이 있다고 판단되는 경우에는 스위치를 조작하여 주변장치의 전원(7-2)을 첫 번째 단위 셀이 위치한 영역을 제외한 단위 셀들의 영역(8-1)으로 연결한다. 그리고, 마지막 단위 셀이 위치한 영역에 이상이 있다고 판단되는 경우에는 스위치를 조작하여 주변장치의 전원(7-2)을 마지막 단위 셀이 위치한 영역을 제외한 단위 셀들의 영역(8-2)으로 연결한다. Then, the
이와 같이 본 실시예는 이상이 있다고 판단되는 영역에서 전력생산에 의한 부담을 줄여줌으로써, 이상이 발생된 단위 셀이 회복되기를 기다린 후에 주변장치의 전원(7-2)을 연료전지스택(110)의 전체 영역(8)에 연결함으로써 소정의 동작을 완료한다. As described above, the present embodiment reduces the burden caused by the power generation in the region determined to be abnormal, and waits for recovery of the unit cell in which the abnormality occurs, and then supplies the power supply 7-2 of the peripheral device to the
다만, 연료전지 시스템(100)의 출력 전력(7-1)은 연료전지스택(110)의 전체 영역(8)에 연결되는 것이 바람직하고, 연료전지스택(110)의 상태에 따라 스위치를 조작하여 변경하여도 무방하다. However, the output power 7-1 of the
도 6은 도 1에 도시된 연료전지스택의 냉각수 온도를 변화시키면서 출력 셀 전압이 시간에 따라 변화됨을 나타낸 그래프이고, 도 7은 도 1에 도시된 연료전지스택의 출력전력을 여러 단계로 증가시키면서 출력 셀 전압이 시간에 따라 변화됨을 나타낸 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing that the output cell voltage changes with time while changing the coolant temperature of the fuel cell stack shown in FIG. 1, and FIG. 7 is a graph illustrating the output power of the fuel cell stack shown in FIG. This graph shows that the output cell voltage changes over time.
일반적인 연료전지 시스템은 사용자의 요구에 따라 그 운전 도중에 발전전력이 변화되거나 그 설치환경이 바뀌는 등의 요인으로 인해 연료전지스택 내의 유량, 압력, 온도 등의 평형 조건이 바뀌는 경우가 있다. 이렇게 연료전지 시스템의 운전 조건이 변하는 과도상태에서는 연료전지스택의 첫 번째와 마지막에 적층된 양쪽 셀이 가장 많은 영향을 받는다. In general, a fuel cell system may have an equilibrium condition such as flow rate, pressure, temperature, etc. in a fuel cell stack due to factors such as generation power change or installation environment change during operation. In this transient state in which the operating conditions of the fuel cell system change, both cells stacked first and last of the fuel cell stack are most affected.
이를 살펴보면, 도 6에 도시된 바와 같이, 연료전지스택은 온도 조건이 높아 질수록 온도가 상승하는 과도 상태에서 가습조건이 건조해지면서 마지막 단위 셀이 영향을 받게 되고, 온도가 하강할수록 첫 번째 단위 셀이 영향을 받아서 결국 첫 번째와 마지막 단위 셀의 전압이 과도하게 떨어지는 경향이 있다. 그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, 연료전지스택은 시스템에서 필요로 하는 출력 전력조건이 증가할수록 첫 번째와 마지막 단위 셀이 평균치보다 과도하게 떨어지는 경향이 있다. 이와 같은 실험을 통해 밝혀진 바와 같이 연료전지스택의 전압 변화의 특징을 사전에 알고 있다면, 도 5에서의 방법과 달리 도 8에서와 같이 단위 셀의 전압이 소정 값 이하로 내려가는 것을 굳이 기다릴 필요없이 연료전지스택의 운전조건이 바꾸기 전에 이상이 예측되는 단위 셀의 전압이 안정화되도록 대응하는 것이 보다 바람직할 것이다. Referring to FIG. 6, in the fuel cell stack, as the temperature condition increases, the humidification condition is dried in a transient state where the temperature increases, and the last unit cell is affected, and as the temperature decreases, the first unit The cells are affected and eventually the voltages of the first and last unit cells tend to drop excessively. As shown in FIG. 7, the fuel cell stack has a tendency that the first and last unit cells are excessively lower than the average value as the output power condition required by the system increases. As shown in the above experiment, if the characteristics of the voltage change of the fuel cell stack are known in advance, unlike the method of FIG. 5, the fuel of the unit cell does not need to wait for the voltage of the unit cell to fall below a predetermined value as in FIG. 8. It would be more preferable to respond so that the voltage of the unit cell in which the abnormality is predicted before the operation condition of the battery stack changes is stabilized.
그래서, 본 실시예는 각 유량, 가습조건, 압력, 온도, 출력전력 등의 조건에 따라 이상 현상을 발생할 것으로 예측되는 특정 셀의 데이터가 설정되어 있다면, 미리 갖고 있던 데이터를 참조하여 예측되는 특정 셀의 영역에 대한 부하를 줄여주는 방향으로 전원분배장치(150)가 전환 작동된다. 그리고, 이상이 있는 특정 셀이 회복될 수 있는 소정의 시간이 경과된 후에 전원분배장치(150)가 원 상태의 연결상태로 전환한다.Thus, in the present embodiment, if data of a specific cell that is expected to cause an abnormal phenomenon is set according to the conditions of each flow rate, humidification condition, pressure, temperature, output power, etc., the specific cell predicted by referring to the data that has been previously possessed The
또한, 본 실시예는 다수의 연료전지스택을 직렬 또는 병렬로 연결한 연료전지 시스템의 경우에도 상기와 같이 이상 현상이 발생되거나, 이런 이상 현상이 발생될 것으로 예측되는 특정 셀을 포함하는 연료전지스택에 대해서도 부하를 줄여주는 방향으로 전원분배장치가 전환 작동됨으로써 안정적인 전력생산을 할 수 있다. In addition, the present embodiment is a fuel cell stack including a specific cell that is expected to occur as described above, or even in the case of a fuel cell system in which a plurality of fuel cell stacks are connected in series or in parallel. The power distribution device is switched to operate in a direction to reduce the load, thereby producing stable power.
이로 인해 본 실시예는 도 9에 도시된 바와 같이 어떠한 단위 셀이 셀 전압 평균치보다 과도하게 떨어지지 않음을 확인할 수 있었고, 연료전지스택에서 안정적으로 전력을 공급할 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 9, it was confirmed that any unit cell did not drop excessively above the average cell voltage value, and the power could be stably supplied from the fuel cell stack.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이 당연하다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can be variously modified and implemented in a claim, the detailed description of an invention, and the attached drawing, and this invention is also this invention. Naturally, it belongs to the range of.
앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템 및 그 작동방법은 전력소모원인 각종 주변장치(BOP)가 필요로 하는 전력을 연료전지스택에서 공급되는 2개 이상의 전력들 중에서 선택적으로 사용할 수 있게 구성함으로써 연료전지스택 내에서 이상이 있는 특정 셀이 지속적으로 전력 생산되지 못하게 방지함으로써, 연료전지스택에서 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다. As described in detail above, the fuel cell system and its operation method of the present invention can be configured to selectively use the power required by the various peripheral devices (BOP) that is the power consumption source from the two or more power supplied from the fuel cell stack As a result, a specific cell having an abnormality in the fuel cell stack is prevented from being continuously generated in power, thereby stably supplying power from the fuel cell stack.
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