KR100802624B1 - Fuel cell system and control method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)이 전해질막을 사이에 두고 배열되는 메인 연료전지스택과; 상기 메인 연료전지스택의 연료극에 수소가 포함된 연료를 공급하는 연료 탱크와; 상기 메인 연료전지스택의 공기극에 산소가 포함된 공기를 공급하는 공기 공급장치와; 상기 연료극에서 부반응으로 생성되는 수소를 열원으로 사용하여 상기 메인 연료전지스택으로 공급되는 연료와 공기를 가열하는 가열장치와; 상기 연료극에서 부반응으로 생성되는 수소를 연료로 사용하는 서브 연료전지스택로 구성되어, 연료전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 상기 연료전지스택에서 생성된 수소가 방출됨에 따른 위험성을 줄일 수 있는 연료전지 시스템 및 제어방법을 제공한다.The present invention relates to a fuel cell stack comprising: a main fuel cell stack in which an anode and a cathode are arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween; A fuel tank supplying a fuel containing hydrogen to a fuel electrode of the main fuel cell stack; An air supply device for supplying air containing oxygen to the cathode of the main fuel cell stack; A heating device for heating the fuel and air supplied to the main fuel cell stack by using hydrogen generated by the side reaction at the anode as a heat source; It is composed of a sub-fuel cell stack using hydrogen generated as a side reaction at the anode as a fuel, it is possible to improve the energy efficiency of the fuel cell, the fuel that can reduce the risk of the release of hydrogen generated in the fuel cell stack A battery system and a control method are provided.

Description

연료전지 시스템 및 그 제어방법 {FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF} Fuel cell system and control method {FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지스택에서 부반응으로 발생되는 수소를 이용하여 연료 및 공기를 가열하는 열원으로 사용함과 동시에 다른 연료전지스택의 연료로 사용할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, a fuel cell system that can be used as a heat source for heating fuel and air by using hydrogen generated by side reactions in a fuel cell stack and as a fuel of another fuel cell stack. It is about.

일반적으로 연료전지 시스템은 화석 연료의 대안으로 제시하는 것으로 통상의 전지(2차 전지)와는 달리 연료극(anode)에 연료(수소가스나 탄화수소 등)를 공급하고 공기극(cathode)에 산소를 공급하여 연료의 연소(산화)반응을 거치지 않고 수소와 산소의 전기화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기에너지로 직접 변환하는 시스템이다. In general, fuel cell systems are proposed as an alternative to fossil fuels. Unlike conventional cells (secondary cells), fuel cell systems supply fuel (hydrogen gas or hydrocarbons) to the anode and supply oxygen to the cathode. It is a system that directly converts the energy difference before and after the reaction into electrical energy through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, without undergoing combustion (oxidation) reaction.

종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 도 1에서와 같이, 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 전해질막(미도시)을 사이에 둔 연료극(anode:102)과 공기극(cathode:104)이 다수로 적층되는 연료전지스택(106)과, 수소를 포함한 수소화붕소((BH4), 실제로는 수소화붕소나트륨(NaBH4)을 상기 연료 극(anode:102)에 공급하도록 상기 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액이 저장되는 연료 탱크(108)와, 산소를 포함한 공기를 상기 공기극(cathode:104)에 공급하는 공기 공급부(110) 등으로 구성된다. In the fuel cell system according to the related art, as shown in FIG. 1, an anode 102 and an cathode 104 interposed between an electrolyte membrane (not shown) to generate electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen are performed. ) Is stacked so that the fuel cell stack 106 and the boron hydride (BH 4 ) containing hydrogen, and in fact, sodium borohydride (NaBH 4 ) to supply the fuel electrode (anode) 102. And a fuel tank 108 in which an aqueous solution of NaBH 4 is stored, and an air supply unit 110 for supplying air containing oxygen to the cathode 104.

상기 연료 탱크(108)와 상기 연료전지스택(106)의 연료극(anode:102) 사이에는 상기 연료 탱크(108)에 저장된 연료를 펌핑하는 연료펌프(112)가 설치된다.A fuel pump 112 for pumping the fuel stored in the fuel tank 108 is installed between the fuel tank 108 and the anode 102 of the fuel cell stack 106.

그리고, 상기 공기 공급부(110)는 대기 중의 공기를 연료전지스택(106)의 공기극(cathode:104)으로 공급하는 에어 컴프레셔(114)와, 상기 연료전지스택(106)으로 공급되는 공기를 정화시키는 에어 필터(116)와, 상기 연료전지스택(106)으로 공급되는 공기를 적정하게 습윤하도록 가습하는 가습기(humidifier:118)로 구성된다. 여기에서, 상기 가습기(118)에는 상기 가습기(118)로 수분을 공급하는 물탱크(120)가 설치된다. In addition, the air supply unit 110 purifies the air supplied to the air cathode 114 of the fuel cell stack 106 and the air supplied to the fuel cell stack 106. And an air filter 116 and a humidifier 118 that humidifies the air supplied to the fuel cell stack 106 to be appropriately wetted. Here, the humidifier 118 is provided with a water tank 120 for supplying moisture to the humidifier 118.

상기와 같은 종래 기술의 연료전지에 연료를 공급하여 전기에너지가 발생하는 과정을 다음에서 설명한다. The process of generating electrical energy by supplying fuel to the fuel cell of the prior art as described above will be described below.

제어부(미도시)의 제어신호에 따라 연료펌프(Fuel Pump:112)가 구동되면 연료 탱크(108)에 저장된 연료가 펌핑되어 연료전지스택(106)의 연료극(102)에 공급된다. 그리고, 에어 컴프레셔(114)가 작동되면 에어 필터(116)에 의해 정화된 공기가 가습기(118)를 통과하면서 습윤되어 상기 연료전지스택(106)의 공기극(104)으로 공급된다. When a fuel pump 112 is driven according to a control signal of a controller (not shown), fuel stored in the fuel tank 108 is pumped and supplied to the fuel electrode 102 of the fuel cell stack 106. When the air compressor 114 is operated, the air purified by the air filter 116 is wetted while passing through the humidifier 118 and supplied to the cathode 104 of the fuel cell stack 106.

상기 연료전지스택(106)으로 연료와 공기가 공급되면 전해질 막(미도시)을 사이에 두고 연료극(102)에서는 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 공기극(104)에서는 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되어 부하(120)로 공급된다.When fuel and air are supplied to the fuel cell stack 106, the electrochemical oxidation of hydrogen proceeds at the anode 102 with an electrolyte membrane (not shown) interposed therebetween, and the electrochemical reduction of oxygen occurs at the cathode 104. In this case, electricity is generated by the movement of the generated electrons and is supplied to the load 120.

이와 같은, 연료전지 시스템에서 연료전지스택(106)으로 공급되는 연료와 공기의 온도는 연료전지의 성능에 큰 영향을 미친다. 따라서, 상기 연료탱크(108)에서 연료극(anode:102)으로 공급되는 연료와 상기 공기 공급부(110)로부터 상기 공기극(cathode:104)으로 공급되는 공기를 일정 온도로 승온시키기 위한 별도의 가열장치가 구비된다.As such, the temperature of the fuel and air supplied to the fuel cell stack 106 in the fuel cell system greatly affects the performance of the fuel cell. Therefore, a separate heating device for heating the fuel supplied from the fuel tank 108 to the anode 102 and the air supplied from the air supply 110 to the cathode 104 to a predetermined temperature is provided. It is provided.

그러나, 상기와 같은 종래 기술의 연료전지 시스템은 연료전지스택으로 공급되는 연료 및 공기를 가열하기 위해 별도의 가열장치 등을 구비해야 되고, 상기 가열장치를 구동시키기 위해 상기 연료전지에서 생성되는 전류를 사용하기 때문에 소비전력이 증가되는 문제점이 있다.However, the fuel cell system of the prior art as described above should be provided with a separate heating device for heating the fuel and air supplied to the fuel cell stack, and the current generated from the fuel cell to drive the heating device. There is a problem in that the power consumption is increased.

또한, 종래 기술의 연료전지스택의 전기극에서 부반응으로 수소가스가 발생되는 데, 상기 수소가스가 외부로 방출될 경우 폭발 위험성이 있는 문제점이 있다. In addition, there is a problem that the hydrogen gas is generated as a side reaction in the electrode of the prior art fuel cell stack, there is a risk of explosion when the hydrogen gas is discharged to the outside.

따라서 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전기스택에서 부반응으로 생성되는 수소를 이용하여 연료와 공기를 가열하는 열원으로 사용함과 동시에 다른 연료전지스택의 연료로 사용함으로써, 연료전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 상기 연료전지스택에서 생성된 수소가 방출됨에 따른 위험성을 줄일 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다. Therefore, the present invention was created to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to use another fuel cell stack at the same time as a heat source for heating fuel and air using hydrogen generated by side reactions in a fuel electric stack. The present invention provides a fuel cell system capable of improving the energy efficiency of a fuel cell and reducing the risk of release of hydrogen generated in the fuel cell stack.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 1. 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)이 전해질막을 사이에 두고 배열되는 메인 연료전지스택과; 상기 메인 연료전지스택의 연료극과 연료 공급라인으로 연결되어 상기 연료극으로 수소가 포함된 연료를 공급하는 연료 공급장치와; 상기 메인 연료전지스택의 공기극과 공기 공급라인으로 연결되어 상기 공기극으로 산소가 포함된 공기를 공급하는 공기 공급장치와; 상기 연료극에서 반응할 때 생성되는 수소를 연료로 사용하는 서브 연료전지스택로 구성되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system comprising: a main fuel cell stack in which an anode and a cathode are arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween; A fuel supply device connected to a fuel electrode of the main fuel cell stack and a fuel supply line to supply fuel containing hydrogen to the fuel electrode; An air supply device connected to the cathode of the main fuel cell stack and an air supply line to supply air containing oxygen to the cathode; And a sub-fuel cell stack using hydrogen generated as a fuel when reacting at the anode.

상기 연료전지 시스템은 상기 메인 연료전지스택에서 반응할 때 생성되는 수소를 취출하기 위한 기액 분리기와, 상기 기액 분리기와 연료 공급장치의 연료탱크 사이에 연결되어 상기 기액 분리기에서 배출되는 연료를 연료탱크로 회수시키는 재순환 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The fuel cell system includes a gas-liquid separator for extracting hydrogen generated when reacting in the main fuel cell stack, and a fuel discharged from the gas-liquid separator connected between the gas-liquid separator and the fuel tank of the fuel supply device to a fuel tank. It further comprises a recycling line for recovering.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)이 전해질막을 사이에 두고 배열되는 메인 연료전지스택과; 상기 메인 연료전지스택의 연료극과 연료 공급라인으로 연결되어 상기 연료극에 수소가 포함된 연료를 공급하는 연료 공급장치와; 상기 메인 연료전지스택의 공기극과 공기 공급라인으로 연결되어 상기 공기극에 산소가 포함된 공기를 공급하는 공기 공급장치와; 상기 연료 공급라인과 공기 공급라인에 설치되어 상기 연료극에서 반응할 때 생성되는 수소를 열원으로 사용하여 상기 메인 연료전지스택으로 공급되는 연료와 공기를 가열하는 가열장치와; 상기 연료극에서 반응할 때 생성되는 수소를 연료로 사용하는 서브 연료전지스택을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. A fuel cell system according to the present invention includes a main fuel cell stack in which an anode and a cathode are arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween; A fuel supply device connected to a fuel electrode of the main fuel cell stack and a fuel supply line to supply fuel containing hydrogen to the fuel electrode; An air supply device connected to the cathode of the main fuel cell stack and an air supply line to supply air containing oxygen to the cathode; A heating device installed in the fuel supply line and the air supply line to heat fuel and air supplied to the main fuel cell stack by using hydrogen generated when reacting at the anode as a heat source; And a sub-fuel cell stack that uses hydrogen generated as a fuel when reacting at the anode.

상기 연료전지 시스템은 상기 가열장치와 상기 서브 연료전지스택으로 공급되는 수소량을 제어하여 상기 가열장치의 온도를 적정 수준으로 유지하면서 상기 서브 연료전지스택에 필요한 수소를 공급하도록 개폐밸브의 개도량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. The fuel cell system controls the amount of hydrogen supplied to the heating device and the sub-fuel cell stack to maintain the temperature of the heating device at an appropriate level, and to adjust the opening amount of the on / off valve to supply hydrogen to the sub-fuel cell stack. It further comprises a control unit for controlling.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은 메인 연료전지스택의 연료극에서 반응으로 수소를 생성하는 제1단계와; 상기 연료극에서 배출되는 수소를 서브 연료전지스택으로 공급하는 제2단계와; 상기 서브 연료전지스택으로 공급되는 수소량을 조절하는 제3단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.A control method of a fuel cell system according to the present invention includes a first step of generating hydrogen by reaction at an anode of a main fuel cell stack; Supplying hydrogen discharged from the anode to a sub fuel cell stack; And a third step of adjusting the amount of hydrogen supplied to the sub fuel cell stack.

상기 제3단계는 기액 분리기에서 상기 기액 분리기에서 배출되는 수소량을 검출하는 유량 센서로부터 제어부로 전기 신호가 인가되면 상기 제어부는 개폐밸브의 개도량을 조절하여 상기 서브 연료전지스택으로 공급되는 수소량을 조절하는 것을 특징으로 한다.In the third step, when an electric signal is applied to the controller from a flow sensor that detects the amount of hydrogen discharged from the gas-liquid separator in the gas-liquid separator, the controller adjusts the opening amount of the on / off valve to supply the hydrogen fuel to the sub fuel cell stack It characterized in that to adjust.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은 메인 연료전지스택의 연료극에서 반응으로 수소를 생성하는 제1단계와; 상기 연료극에서 배출되는 수소를 가열장치와 서브 연료전지스택으로 공급하는 제2단계와; 상기 가열장치의 온도에 따라 가열장치와 서브 연료전지스택으로 공급되는 수소량을 조절하는 제3단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.A control method of a fuel cell system according to the present invention includes a first step of generating hydrogen by reaction at an anode of a main fuel cell stack; Supplying hydrogen discharged from the anode to a heating device and a sub fuel cell stack; And a third step of adjusting the amount of hydrogen supplied to the heating device and the sub-fuel cell stack in accordance with the temperature of the heating device.

상기 제3단계는 상기 가열장치의 온도가 설정온도(β) 이상이면, 상기 가열장치로의 수소 공급을 차단하고 서브 연료전지스택으로 수소를 공급하는 단계와; 상기 단계에서, 상기 가열장치의 온도와 설정온도(α)를 비교하여, 상기 가열장치의 온도가 설정온도(α) 보다 낮으면, 상기 서브 연료전지스택으로의 수소 공급을 차단함과 아울러 상기 가열장치로 수소를 공급하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.The third step includes the step of interrupting the supply of hydrogen to the heating device and supplying hydrogen to the sub-fuel cell stack when the temperature of the heating device is higher than or equal to the set temperature β; In this step, when the temperature of the heating device and the set temperature (α) is compared, if the temperature of the heating device is lower than the set temperature (α), the supply of hydrogen to the sub-fuel cell stack and the heating And supplying hydrogen to the device.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다. 1 is a block diagram of a fuel cell system according to the prior art.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다. 2 is a block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 가열장치의 일부 절개된 사시도이다.3 is a partially cut away perspective view of a heating apparatus of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어수단을 나타낸 블록도이다. Figure 4 is a block diagram showing the control means of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어수단을 나타낸 블록도이다.5 is a block diagram showing a control means of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어수단을 나타낸 블록도이다. 6 is a block diagram showing control means of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타낸 순서도이다.7 is a flowchart illustrating a control method of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타낸 순서도이다.8 is a flowchart illustrating a control method of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>(번역시 생략)<Explanation of symbols on main parts of drawings> (Omitted when translating)

2 : 연료극 4 : 공기극2: fuel electrode 4: air electrode

6 : 메인 연료전지스택 8 : 연료탱크6: main fuel cell stack 8: fuel tank

10 : 공기 공급장치 12 : 가열장치10: air supply device 12: heating device

14 : 서브 연료전지스택14: sub fuel cell stack

16 : 연료 공급라인 18 : 연료펌프16 fuel supply line 18 fuel pump

20 : 공기 공급라인 22 : 에어 필터20: air supply line 22: air filter

24 : 에어 컴프레셔 26 : 가습기24: air compressor 26: humidifier

28 : 물탱크 30 : 기액 분리기28: water tank 30: gas-liquid separator

32 ; 연료 재순환라인 32; Fuel recirculation line

34 : 연료 재순환펌프 50 : 하우징34 fuel recirculation pump 50 housing

52 : 송풍팬 54 : 연소기 52: blower fan 54: combustor

56 : 구획통 58 : 배출홀56: compartment 58: discharge hole

60 : 연료관 62 : 공기관60: fuel pipe 62: air pipe

70 : 제1유로70: first euro

72 : 제2유로 74 : 제3유로72: second euro 74: third euro

76 : 개폐밸브 80 : 연료극76: on-off valve 80: fuel electrode

82 : 공기극 84 : 유량센서82: air electrode 84: flow sensor

86 : 온도센서 90 : 컨트롤러86: temperature sensor 90: controller

[발명의 실시를 위한 최선의 형태]Best Mode for Implementation of the Invention

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 일 실시 예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 실시 예로서는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 가장 바람직한 실시 예에 대하여 설명한다.There may be a plurality of embodiments of the fuel cell system according to the present invention. Hereinafter, the most preferred embodiment will be described.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다. 2 is a block diagram of a fuel cell system according to the present invention.

본 발명에 의한 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 전해질막(미도시)을 사이에 둔 연료극(2)과 공기극(4)이 다수로 적층되는 메인 연료전지스택(6)과, 상기 연료극(2)으로 공급되는 연료가 저장되는 연료 탱크(8)와, 산소가 포함되어 있는 공기를 상기 공기극(4)에 공급하는 공기 공급장치(10)와, 상기 연료전지스택(6)에서 배출되는 연료를 다시 연료탱크(8)로 재순환시키는 연료 재순환장치(Fuel Recycle apparatus)와, 상기 연료극(2)에서 반응으로 발생된 수소를 이용하여 메인 연료전지스택(6)으로 공급되는 연료 및 공기를 가열하는 가열장치(12)와, 상기 연료극(2)에서 반응으로 생성된 수소를 연료로 사용하는 서브 연료전지스택(14)으로 구성된다. In the fuel cell system according to the present invention, a main fuel cell stack in which a plurality of fuel electrodes 2 and an air electrode 4 are stacked with an electrolyte membrane (not shown) interposed therebetween so as to generate electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is provided. (6), a fuel tank (8) for storing fuel supplied to the fuel electrode (2), an air supply device (10) for supplying air containing oxygen to the air electrode (4), and the fuel cell A fuel recycle apparatus for recycling the fuel discharged from the stack 6 back to the fuel tank 8 and hydrogen generated by the reaction at the fuel electrode 2 are used to the main fuel cell stack 6. And a heater 12 for heating the supplied fuel and air, and a sub-fuel cell stack 14 that uses hydrogen generated by the reaction at the fuel electrode 2 as a fuel.

상기 연료 탱크(8)는 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액이 저장되고, 상기 메인 연료전지스택(6)의 연료극(2)과 연료 공급라인(16)으로 연결된다. 상기 연료 공급라인(16)의 일측에는 상기 연료탱크(8)에 저장된 연료를 펌핑하는 연료펌프(18)가 설치된다. The fuel tank 8 stores an aqueous sodium borohydride (NaBH 4 ) solution, and is connected to the fuel electrode 2 and the fuel supply line 16 of the main fuel cell stack 6. One side of the fuel supply line 16 is provided with a fuel pump 18 for pumping the fuel stored in the fuel tank (8).

상기 공기 공급장치(10)는 대기 중의 공기를 연료전지스택(6)의 공기극(4)으 로 유도하는 공기 공급라인(20)과, 상기 공기 공급라인(20)의 입구측에 설치되어 상기 공기 공급라인(20)으로 흡입되는 공기를 정화시키는 에어 필터(22)와, 상기 공기 공급라인(20)의 일측에 설치되어 외부공기를 흡입하는 흡입력을 발생시키는 에어 컴프레셔(24)와, 상기 에어 컴프레셔(24)에 의해 흡입된 공기를 가습하는 가습기(26)로 구성된다. 그리고, 상기 가습기(26)에는 물을 공급하는 물탱크(28)가 설치된다. The air supply device 10 is provided at the inlet side of the air supply line 20 and the air supply line 20 to guide the air in the atmosphere to the cathode 4 of the fuel cell stack 6 An air filter 22 for purifying the air sucked into the supply line 20, an air compressor 24 installed at one side of the air supply line 20 to generate suction force for sucking external air, and the air compressor It consists of a humidifier 26 which humidifies the air sucked by the 24. The humidifier 26 is provided with a water tank 28 for supplying water.

이와 같이 구성되는 연료탱크(8)와 공기 공급장치(10)로부터 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 산소를 포함한 공기가 연료전지스택(6)의 연료극(2)과 공기극(4)으로 각각 공급되면 전해질막과 반응하면서 이온을 형성한다. 상기 이온은 전기화학반응을 일으켜 물을 형성하는 과정에서 연료극(2)에서 전자가 생성하여 공기극(4)으로 이동하면서 전기를 발생시킨다.When the air containing sodium borohydride (NaBH 4 ) and oxygen from the fuel tank 8 and the air supply device 10 configured as described above is supplied to the anode 2 and the cathode 4 of the fuel cell stack 6, respectively, Reacts with the electrolyte membrane to form ions. The ions generate electricity while the electrons are generated in the anode 2 and move to the cathode 4 in the process of forming water by forming an electrochemical reaction.

이를 보다 상세히 살펴보면, 연료극(2)측에서는 전기화학적 산화반응인 BH4 - + 8OH- → BO2 - + 6H2O + 8e-이 발생하여 전해질막에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고, Looking at this in more detail, the side of the fuel electrode (2) of electrochemical oxidation BH 4 - + 8OH - → BO 2 - + 6H 2 O + 8e - occurs in the electrolyte membrane to transfer ions generated by the oxidation / reduction reaction,

공기극(4)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인In the cathode 4, the electrochemical reduction reaction of the supplied air (oxygen)

2O2 + 4H2O + 8e- → 8OH- 이 발생한다.2O 2 + 4H 2 O + 8e - → 8OH - this occurs.

이러한 반응을 지속하는 과정 중에 연료극(2)측에서는 2H2O + NaBH4 → NaBO2 + 4H2 와 같은 반응이 발생하면서 연료(NaBH4수용액)에서 수소기체(4H2)가 발생하여 산화붕소나트륨(NaBO2)과 함께 연료극(2)에서 배출된다.During the course of the reaction, 2H 2 O at the anode 2 side. + NaBH 4 → As a reaction such as NaBO 2 + 4H 2 occurs, hydrogen gas 4H 2 is generated in the fuel (NaBH 4 aqueous solution) and is discharged from the anode 2 together with sodium boron oxide (NaBO 2 ).

상기 연료 재순환장치는 상기와 같이 메인 연료전지스택(6)에서 반응하고 난 후 배출되는 연료를 다시 연료 탱크(8)로 회수하는 시스템으로써, 상기 메인 연료전지스택(6)에서 반응한 후 배출되는 연료를 기체와 액체로 분리하는 기액 분리기(30)와, 상기 기액 분리기(30)에서 배출되는 액체 상태의 연료를 상기 연료탱크(8)로 회수시키는 재순환 라인(recycle line:32)과, 상기 재순환 라인(32)에 설치되어 회수되는 액체 연료를 연료탱크(8)로 펌핑하는 재순환펌프(34)로 구성된다. The fuel recirculation apparatus is a system for recovering the fuel discharged after the reaction in the main fuel cell stack 6 to the fuel tank 8 as described above, and is discharged after the reaction in the main fuel cell stack 6. A gas-liquid separator 30 for separating fuel into gas and a liquid, a recycling line 32 for recovering the liquid fuel discharged from the gas-liquid separator 30 to the fuel tank 8, and the recirculation And a recirculation pump 34 for pumping the liquid fuel recovered and installed in the line 32 to the fuel tank 8.

여기에서, 상기 기액 분리기(30)에서는 상기 연료전지스택(6)의 연료극(2)에서 반응으로 발생된 NaB02와 4H2가 액체와 기체로 분리되고 그 중 액체인 물과 NaB02는 연료재순환라인(32)을 통해 연료탱크(8)로 회수되는 반면 기체인 수소가스는 외부로 배출된다. Here, in the gas-liquid separator 30, NaB0 2 and 4H 2 generated by the reaction at the anode 2 of the fuel cell stack 6 are separated into a liquid and a gas, and water and NaB0 2 , which are liquids, are fuel recycled. While it is recovered to the fuel tank 8 through the line 32, hydrogen gas, which is a gas, is discharged to the outside.

상기와 같이 기액 분리기(30)에서 배출되는 수소가스는 상기 가열장치(12)의 열원으로 사용됨과 아울러 상기 서브 연료전지스택(14)의 연료로 사용되고, 제어부(90)에 의해 상기 가열장치(12)와 서브 연료전지스택(14)으로 공급되는 수소량이 제어된다. As described above, the hydrogen gas discharged from the gas-liquid separator 30 is used as a heat source of the heating device 12 and as a fuel of the sub-fuel cell stack 14, and is controlled by the control unit 90 by the heating device 12. ) And the amount of hydrogen supplied to the sub fuel cell stack 14 are controlled.

여기에서, 상기 가열장치(12)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 연료 공급라인(16), 상기 공기 공급라인(20)이 연결되는 하우징(50)과, 상기 하우징(50)의 하부에 설치되어 외부의 공기를 상기 하우징(50) 내부로 송풍시키는 송풍팬(52)과, 상기 하우징(50)의 내부에 설치되어 상기 기액 분리기(30)로부터 공급되는 수소가스와 반응하여 발열되어 상기 하우징(50) 내부를 통과하는 연료와 공기를 가열하는 연소부(54)로 구성된다. Here, as shown in FIG. 3, the heating device 12 includes a housing 50 to which the fuel supply line 16 and the air supply line 20 are connected, and a lower portion of the housing 50. A blowing fan 52 installed at the outside to blow external air into the housing 50, and installed inside the housing 50 to react with hydrogen gas supplied from the gas-liquid separator 30 to generate heat. 50 is composed of a combustion section 54 that heats fuel and air passing through the interior.

상기 하우징(50)의 내부에는 상기 하우징(50)의 직경에 비해 작은 직경을 갖는 원통형태의 구획통(56)이 상기 하우징(50)의 내주면과 일정 간격을 두고 배치된다. 그리고, 상기 하우징(50)의 상부에는 가열작용을 마친 가스가 외부로 배출되는 다수의 배출홀(58)이 형성되고, 그 하부에는 연소부(54) 및 송풍팬(52)이 설치된다.In the interior of the housing 50, a cylindrical cylindrical cylinder 56 having a smaller diameter than the diameter of the housing 50 is disposed at a predetermined distance from the inner circumferential surface of the housing 50. In addition, a plurality of discharge holes 58 are formed at the upper portion of the housing 50 to discharge the heated gas to the outside, and a combustion unit 54 and a blower fan 52 are installed at the lower portion thereof.

상기 구획통(56)의 안쪽에는 연료가 통과하는 연료관(60)이 코일 형태로 감겨지고, 상기 구획부(56)의 바깥쪽에는 공기가 통과하는 공기관(62)이 코일 형태로 감겨진다. The fuel pipe 60 through which fuel passes is wound around the inside of the compartment 56 in the form of a coil, and the air pipe 62 through which air passes is wound around the outside of the compartment 56 in the form of a coil.

상기 연소부(54)는 하우징(50)의 하부에 장착되고 내부에 촉매가 부착되는 벌집(Honeycomb) 모양으로 형성되며, 상기 기액 분리기(30)와 제1수소 공급라인(72)으로 연결되어 상기 기액 분리기(30)에서 배출되는 수소를 공급받는다. 여기에서, 상기 촉매는 백금촉매가 사용됨이 바람직하다.The combustion unit 54 is formed in the shape of a honeycomb (Honeycomb) that is mounted to the lower portion of the housing 50 and the catalyst is attached therein, and is connected to the gas-liquid separator 30 and the first hydrogen supply line 72 Hydrogen discharged from the gas-liquid separator 30 is supplied. Here, the catalyst is preferably a platinum catalyst.

상기 연소부(54)에서의 발열에 의해 상기 하우징(50) 내부로 송풍되는 공기가 가열되고, 상기 가열된 공기는 하우징(50) 내부를 통과하면서 연료관(60)과 공기관(62)을 가열하고, 가열작용을 마친 공기를 배출홀(58)을 통해 외부로 배출된다. The air blown into the housing 50 is heated by the heat generated by the combustion unit 54, and the heated air passes through the housing 50 to heat the fuel pipe 60 and the air pipe 62. And, the air after the heating operation is discharged to the outside through the discharge hole (58).

상기 서브 연료전지스택(14)은 메인 연료전지스택(6)의 연료극(2)에서 반응 으로 생성되는 수소가 공급되는 연료극(80)과, 상기 공기 공급장치(10)와 연결되어 산소를 포함한 공기가 공급되는 공기극(82)이 전해질막을 사이에 두고 다수로 적층된다.The sub fuel cell stack 14 is connected to the air supply device 10 and the fuel electrode 80 to which hydrogen generated by the reaction from the fuel electrode 2 of the main fuel cell stack 6 is supplied. A plurality of air electrodes 82 are supplied with the electrolyte membrane interposed therebetween.

상기 서브 연료전지스택(14)의 연료극(80)은 상기 기액 분리기(30)와 수소 공급라인(74)으로 연결되어 상기 기액 분리기(30)에서 배출되는 수소를 공급받는다. 그리고, 상기 공기극(82)은 상기 공기 공급장치(10)의 가습기(26)와 공기 공급라인(88)으로 연결되어 상기 수분을 흡수한 공기를 공급받는다. The anode 80 of the sub fuel cell stack 14 is connected to the gas-liquid separator 30 and the hydrogen supply line 74 to receive hydrogen discharged from the gas-liquid separator 30. In addition, the cathode 82 is connected to the humidifier 26 of the air supply device 10 and the air supply line 88 to receive air absorbing the moisture.

본 실시예에 사용되는 서브 연료전지스택(14)은 연료로 수소를 사용하는 FEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 적용됨이 바람직하다.As the sub fuel cell stack 14 used in the present embodiment, it is preferable to apply a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (FEMFC) using hydrogen as a fuel.

이와 같은 서브 연료전지스택(14)은 기액 분리기(30)에서 배출되는 수소가 연료극(80)으로 공급되고, 상기 공기 공급장치(10)로부터 공기극(82)으로 산소를 포함한 공기가 공급되면 수소와 산소가 상호 반응하여 상기 메인 연료전지스택(6)과 별도로 전기 에너지를 생성한다.The sub fuel cell stack 14 is supplied with hydrogen when the hydrogen discharged from the gas-liquid separator 30 is supplied to the anode 80, and air containing oxygen is supplied from the air supply device 10 to the cathode 82. Oxygen reacts with each other to generate electrical energy separately from the main fuel cell stack 6.

상기 기액 분리기(30)에는 수소가 배출되는 수소 배출라인(70)이 연결되고, 상기 수소 배출라인(70)은 상기 가열장치(12)와 연결되는 제1수소 공급라인(72)과 상기 서브 연료전지스택(14)의 연료극(80)과 연결되는 제2수소 공급라인(74)으로 분기된다. 상기 수소 배출라인(70)과 제1 및 제2수소 공급라인이 연결되는 부위에는 개폐밸브(76)가 설치된다.The gas-liquid separator 30 is connected to a hydrogen discharge line 70 through which hydrogen is discharged, and the hydrogen discharge line 70 is connected to the heating device 12 and the first hydrogen supply line 72 and the sub-fuel. It is branched to the second hydrogen supply line 74 which is connected to the fuel electrode 80 of the battery stack 14. An opening and closing valve 76 is installed at a portion where the hydrogen discharge line 70 and the first and second hydrogen supply lines are connected.

상기 개폐밸브(76)는 제어부(90)에서 인가되는 전기신호에 따라 상기 수고 배출라인(70)과 제1 및 제2수소 공급라인(72,74) 중 어느 하나를 연통시켜 상기 가 열장치(12)와 서브 연료전지스택(14) 중 어느 하나로 수소를 공급한다. The open / close valve 76 communicates with the labor discharge line 70 and any one of the first and second hydrogen supply lines 72 and 74 according to an electric signal applied from the control unit 90 to the heating device ( Hydrogen is supplied to either 12) or the sub-fuel cell stack 14.

이러한 개폐밸브(76)는 컨트롤러(90)로부터 인가되는 전기 신호에 따라 밸브의 개도량으로 조절하기 용이한 니들 밸브(Needle Valve)가 사용됨이 바람직하다.The on-off valve 76 is preferably a needle valve (Needle Valve) that is easy to adjust the opening amount of the valve in accordance with the electrical signal applied from the controller (90).

그리고, 상기 연료전지 시스템은 상기 가열장치(12)와 상기 서브 연료전지스택(14)으로 공급되는 수소량을 제어하여 상기 가열장치(12)의 온도를 적정 수준으로 유지하면서 상기 서브 연료전지스택(14)에 필요한 수소를 공급하도록 상기 개폐밸브(76)의 개도량을 제어하는 제어부(90)를 갖는다.The fuel cell system controls the amount of hydrogen supplied to the heating device 12 and the sub fuel cell stack 14 to maintain the temperature of the heating device 12 at an appropriate level. And a control unit 90 for controlling the opening amount of the on-off valve 76 so as to supply the hydrogen necessary for 14).

상기 제어부(90)는 일 실시예로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 가열장치(12)에 설치되어 가열장치(12)의 온도를 검출하는 온도센서(86)로부터 인가되는 전기 신호에 따라 상기 개폐 밸브(76)의 개도량을 조절한다. As an example, as shown in FIG. 4, the controller 90 is installed in the heating apparatus 12 and according to an electrical signal applied from a temperature sensor 86 for detecting a temperature of the heating apparatus 12. The opening amount of the open / close valve 76 is adjusted.

여기에서, 상기 온도센서(86)는 상기 가열장치(12)의 연소부(54)의 온도를 검출하도록 연소부(54)의 내부에 장착된 촉매에 설치될 수 있고, 상기 가열장치(12)에서 가열된 공기의 온도를 검출하도록 공기관(62)에 설치될 수 있고, 상기 가열장치에서 가열된 연료의 온도를 검출하도록 상기 연료관(60)에 설치될 수 있다. 즉 촉매, 공기, 연료 중 어느 하나의 온도를 기준으로 설정할 수 있다.Here, the temperature sensor 86 may be installed on the catalyst mounted inside the combustion section 54 to detect the temperature of the combustion section 54 of the heating device 12, the heating device 12 It may be installed in the air pipe 62 to detect the temperature of the air heated in, and may be installed in the fuel pipe 60 to detect the temperature of the fuel heated in the heating device. That is, it can be set based on the temperature of any one of the catalyst, air and fuel.

상기 제어부(90)는 다른 실시예로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 수소 배출라인(70)에 설치되어 수소량의 검출하는 유량 센서(84)와, 상기 가열장치(12)에 설치되어 상기 가열장치(12)의 온도를 검출하는 온도센서(86)로부터 인가되는 신호에 따라 상기 개폐밸브(76)의 개도량을 조절할 수 있다. As another embodiment, as shown in FIG. 5, the controller 90 is installed in the hydrogen discharge line 70 and installed in the flow sensor 84 and the heater 12 to detect the amount of hydrogen. The opening amount of the open / close valve 76 may be adjusted according to a signal applied from the temperature sensor 86 for detecting the temperature of the heating device 12.

그리고, 상기 제어부는 또다른 실시예로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 서브 연료전지스택의 출력를 검출하는 출력 감지센서(96)로부터 인가되는 신호에 따라 상기 개폐밸브(76)의 개도량을 조절할 수 있다. In addition, as shown in FIG. 6, the controller controls an opening amount of the open / close valve 76 according to a signal applied from an output sensor 96 that detects an output of the sub fuel cell stack. I can regulate it.

상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 다음에서 설명한다.A control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention configured as described above will be described below.

먼저, 제1실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은 메인 연료전지스택(6)의 연료극(2)에서 반응으로 수소를 생성한다. 그리고, 상기에서 설명한 방법에 의해 상기 메인 연료전지스택(6)의 연료극(2)에서 배출되는 수소를 서브 연료전지스택(14)으로 공급한다. First, the control method of the fuel cell system according to the first embodiment generates hydrogen by reaction at the anode 2 of the main fuel cell stack 6. The hydrogen discharged from the anode 2 of the main fuel cell stack 6 is supplied to the sub fuel cell stack 14 by the method described above.

그리고, 상기 서브 연료전지스택(14)으로 공급되는 수소량을 조절한다. 즉, 상기 기액 분리기(30)에서 배출되는 수소량을 검출하는 유량 센서(84)로부터 제어부(90)로 전기 신호가 인가되면 상기 제어부(90)는 개폐밸브(76)의 개도량을 조절하여 상기 서브 연료전지스택(14)으로 공급되는 수소량을 조절한다.The amount of hydrogen supplied to the sub fuel cell stack 14 is adjusted. That is, when an electric signal is applied to the controller 90 from the flow sensor 84 for detecting the amount of hydrogen discharged from the gas-liquid separator 30, the controller 90 adjusts the opening amount of the opening / closing valve 76. The amount of hydrogen supplied to the sub fuel cell stack 14 is adjusted.

도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타낸 순서도이다. 7 is a flowchart illustrating a control method of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.

메인 연료전지스택(6)의 연료극(2)에서 수소가 배출된다.(S10) 즉, 상기에서 설명한 메인 연료전지스택(6)의 연료극(2)에서 생성된 수소가 상기 기액 분리기(30)를 통해 취출되어 수소 배출라인(70)을 통해 공급된다.Hydrogen is discharged from the anode 2 of the main fuel cell stack 6 (S10). That is, the hydrogen generated from the anode 2 of the main fuel cell stack 6 described above causes the gas-liquid separator 30 to be discharged. Taken out and supplied through the hydrogen discharge line (70).

상기 기액 분리기(30)에서 배출되는 수소가 가열장치(12)에 공급되어 가열장치(12)의 열원으로 사용됨과 아울러 서브 연료전지스택(14)으로 공급되어 연료로 사용된다.(S20) 즉, 개폐밸브(76)의 개도량이 조절되어 상기 기액 분리기(30)와 가 열장치(12) 사이의 유로 및 기액 분리기(30)와 서브 연료전지스택(14) 사이의 유로를 동시에 개방하여 기액 분리기(30)에서 배출되는 수소가 가열장치(12)와 서브 연료전지스택(14)으로 동시에 공급된다.Hydrogen discharged from the gas-liquid separator 30 is supplied to the heating device 12 to be used as a heat source of the heating device 12 and to the sub-fuel cell stack 14 to be used as fuel (S20). The opening amount of the on / off valve 76 is adjusted to simultaneously open the flow path between the gas-liquid separator 30 and the heating device 12 and the flow path between the gas-liquid separator 30 and the sub-fuel cell stack 14 at the same time. Hydrogen discharged from 30 is simultaneously supplied to the heating device 12 and the sub fuel cell stack 14.

그리고, 상기 가열장치(12)의 온도와 설정온도(β)를 비교한다.(S30) 즉, 상기 가열장치(12)에서 연료와 공기를 가열하는 작용을 할 때 온도센서(86)가 연료, 공기, 또는 촉매의 온도 중 어느 하나의 온도를 검출하여 그 신호를 컨트롤러(90)로 인가하면, 상기 컨트롤러(90)는 설정온도(β)와 상기 온도센서(86)로부터 인가되는 가열장치(12)의 온도를 비교하여 상기 가열장치(12)의 온도가 설정온도(β) 이상인가를 판단한다. 여기에서 상기 설정온도(β)는 가열된 연료 또는 공기의 온도를 검출할 경우 80℃로 설정됨이 바람직하다. Then, the temperature of the heating device 12 and the set temperature (β) is compared (S30). That is, the temperature sensor 86 when the heating device 12 acts to heat the fuel and air, the fuel, When the temperature of any one of the air or the catalyst is detected and the signal is applied to the controller 90, the controller 90 applies the set temperature β and the heating device 12 applied from the temperature sensor 86. The temperature of the heating device 12 is compared to determine whether the temperature of the heating device 12 is equal to or higher than the set temperature β. Herein, the set temperature β is preferably set to 80 ° C. when detecting the temperature of the heated fuel or air.

상기에서, 가열장치(12)의 온도가 설정온도(β) 이상인 것으로 판단되면 상기 가열장치(12)로의 수소공급을 차단하고 서브 연료전지스택(14)의 연료극(80)으로 소수를 공급한다.(S40) 즉, 온도센서(86)로부터 인가되는 가열장치(12)의 온도가 설정온도(β)보다 높은 것으로 판단되면, 상기 컨트롤러(90)는 개폐밸브(76)를 작동시켜 수소 배출라인(70)과 제1수소 공급라인(72) 사이를 폐쇄시킴과 아울러 수소 배출라인(70)과 제2수소 공급라인(74)을 연통시킨다. 그러면 상기 가열장치(12)로의 수소공급은 차단되고, 서브 연료전지스택(14)의 연료극(80)으로 수소가 공급되어 연료로 사용된다. In the above, when it is determined that the temperature of the heating device 12 is equal to or higher than the set temperature β, the hydrogen supply to the heating device 12 is interrupted and a small number is supplied to the fuel electrode 80 of the sub fuel cell stack 14. That is, when it is determined that the temperature of the heating device 12 applied from the temperature sensor 86 is higher than the set temperature β, the controller 90 operates the on / off valve 76 to discharge the hydrogen. The hydrogen discharge line 70 and the second hydrogen supply line 74 are communicated with each other while closing between the 70 and the first hydrogen supply line 72. Then, the hydrogen supply to the heater 12 is cut off, and hydrogen is supplied to the anode 80 of the sub fuel cell stack 14 to be used as fuel.

이러한 작동 중, 상기 가열장치(12)의 온도가 설정온도(α)보다 낮은 가를 비교하여, 가열장치(120의 온도가 설정온도(α)보다 낮은 것으로 판단되면 서브 연 료전지스택(14)으로의 수소 공급을 차단함과 아울러 상기 가열장치(12)로 수소를 공급한다.(S50, S60) During this operation, the temperature of the heating device 12 is lower than the set temperature α, and if it is determined that the temperature of the heating device 120 is lower than the set temperature α, the fuel cell stack 14 is transferred to the sub-fuel cell stack 14. The hydrogen supply is interrupted and hydrogen is supplied to the heating device 12. (S50, S60)

즉, 온도센서(86)에서 상기 가열장치(12)의 온도를 검출하여 컨트롤러(90)로 인가하면, 상기 컨트롤러(90)는 상기 가열장치(12)의 온도와 설정온도(α)를 비교하여 가열장치(12)의 온도가 설정온도(α) 보다 낮은 것으로 판단되면, 상기 개폐밸브(76)를 제어하여 수소 배출라인(70)과 제1수소 공급라인(74) 사이는 폐쇄시키고 수소 배출라인(70)과 제1수소 공급라인(72) 사이를 서로 연통시켜서 상기 서브 연료전지스택(14)으로의 수소공급을 차단함과 아울러 가열장치(12)로 수소를 공급한다. That is, when the temperature sensor 86 detects the temperature of the heating device 12 and applies it to the controller 90, the controller 90 compares the temperature of the heating device 12 with the set temperature α. If it is determined that the temperature of the heating device 12 is lower than the set temperature (α), the on-off valve 76 is controlled to close between the hydrogen discharge line 70 and the first hydrogen supply line 74 and the hydrogen discharge line The hydrogen supply to the sub fuel cell stack 14 is interrupted by communicating between the 70 and the first hydrogen supply line 72 to supply hydrogen to the heating apparatus 12.

여기에서, 상기 설정온도(α)는 온도센서(86)가 연료 또는 공기의 온도를 검출할 경우 약 60℃로 설정됨이 바람직하다. Here, the set temperature (α) is preferably set to about 60 ℃ when the temperature sensor 86 detects the temperature of the fuel or air.

그리고, 이와 같은 가열 작용 중 가열장치(12)의 온도가 설정온도(β) 보다 높아지면 다시 가열장치(12)로의 수고 공급은 차단하고 서브 연료전지스택(14)으로 수소를 공급하는 과정을 반복적으로 수행한다.(S70)When the temperature of the heating device 12 becomes higher than the set temperature β during the heating operation, the process of supplying hydrogen to the sub-fuel cell stack 14 is repeatedly performed by blocking the labor supply to the heating device 12 again. (S70)

도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타낸 블록도이다.8 is a block diagram illustrating a control method of a fuel cell system according to a third exemplary embodiment of the present invention.

먼저, 기액 분리기(30)에서 수소가 배출된다.(S100) First, hydrogen is discharged from the gas-liquid separator 30 (S100).

상기 기액 분리기(30)에서 배출되는 수소가 가열장치(12)에 공급되어 가열장치(12)의 열원으로 사용됨과 아울러 서브 연료전지스택(14)으로 공급되어 연료로 사용된다.(S200) 즉, 개폐밸브(76)의 개도량이 조절되어 상기 기액 분리기(30)와 가열장치(12) 및 서브 연료전지스택(14) 사이의 유로를 동시에 개방하여 기액 분리기(30)에서 배출되는 수소가 가열장치(12)와 서브 연료전지스택(14)으로 동시에 공급된다.Hydrogen discharged from the gas-liquid separator 30 is supplied to the heating device 12 to be used as a heat source of the heating device 12, and is also supplied to the sub fuel cell stack 14 to be used as fuel (S200). The opening degree of the on / off valve 76 is adjusted to simultaneously open the flow path between the gas-liquid separator 30, the heating device 12, and the sub-fuel cell stack 14, so that hydrogen discharged from the gas-liquid separator 30 is heated. 12) and the sub fuel cell stack 14 at the same time.

상기 가열장치(12)의 온도와 설정온도(β)를 비교하고(S300), 상기 가열장치(12)의 온도가 설정온도(β) 이상인 것으로 판단되면 상기 가열장치(12)로의 수소공급을 차단하고 서브 연료전지스택(14)으로 수소를 공급한다.(S400) 상기의 공정은 상기 일 실시예에서 설명한 단계와 동일하므로 그 자세한 설명을 생략한다. The temperature of the heating device 12 is compared with the set temperature β (S300), and when it is determined that the temperature of the heating device 12 is equal to or higher than the set temperature β, the hydrogen supply to the heating device 12 is cut off. Then, hydrogen is supplied to the sub fuel cell stack 14. (S400) Since the process is the same as the steps described in the above embodiment, detailed description thereof will be omitted.

이러한 상태에서, 상기 가열장치(12)의 온도가 설정온도(α)보다 낮은 가를 비교한다.(S500) 상기에서, 가열장치(12)의 온도가 설정온도(α)보다 낮은 것으로 판단되면 상기 서브 연료전지스택(14)으로의 수소 공급은 계속적으로 수행하면서 가열장치(12)로 수소를 공급한다.(S600) In this state, it is compared whether the temperature of the heating device 12 is lower than the set temperature α. (S500) In the above, if it is determined that the temperature of the heating device 12 is lower than the set temperature α, the sub The hydrogen supply to the fuel cell stack 14 is continuously performed, and hydrogen is supplied to the heating device 12. (S600)

즉, 온도센서(86)에서 상기 가열장치(12)의 온도를 검출하여 컨트롤러(90)로 인가하고 유량센서(84)에서 상기 기액 분리기(30)에서 배출되는 수소량을 검출하여 컨트롤러(90)로 인가하면, 상기 컨트롤러(90)는 상기 가열장치(12)의 온도와 설정온도(α)를 비교하여 가열장치(12)의 온도가 설정온도(α)보다 낮은 것으로 판단되면, 상기 유량센서(84)로부터 인가되는 전기신호에 따라 기액 분리기(30)에서 배출되는 수소량을 판단한다. 그리고, 상기 컨트롤러(90)는 개폐밸브(12)의 개도량을 제어하여 상기 가열장치(12)로 공급되는 수소량과 상기 서브 연료전지스택(14)으로 공급되는 수소량을 제어한다. 그러면, 상기 가열장치(12)로 일정량의 수소가 공급 되어 열원으로 사용됨과 아울러 상기 서브 연료전지스택(14)으로 일정량의 수소가 공급되어 연료로 사용된다. That is, the temperature sensor 86 detects the temperature of the heating device 12 and applies it to the controller 90, and the flow rate sensor 84 detects the amount of hydrogen discharged from the gas-liquid separator 30. When applied to, the controller 90 compares the temperature of the heating device 12 with the set temperature (α), if it is determined that the temperature of the heating device 12 is lower than the set temperature (α), the flow sensor ( The amount of hydrogen discharged from the gas-liquid separator 30 is determined according to the electrical signal applied from 84. The controller 90 controls the opening amount of the on / off valve 12 to control the amount of hydrogen supplied to the heating device 12 and the amount of hydrogen supplied to the sub fuel cell stack 14. Then, a predetermined amount of hydrogen is supplied to the heating device 12 to be used as a heat source, and a predetermined amount of hydrogen is supplied to the sub fuel cell stack 14 to be used as fuel.

이와 같은 가열 작용 및 전기 에너지 발생 작업 중 상기 가열장치(12)의 온도가 설정온도(β) 보다 높아지면 다시 가열장치(12)로의 수소 공급은 차단하고 서브 연료전지스택(14)으로는 계속적으로 수소를 공급하는 과정을 반복적으로 수행한다.(S700)If the temperature of the heating device 12 becomes higher than the set temperature β during the heating operation and the electric energy generation operation, the hydrogen supply to the heating device 12 is cut off again and the sub fuel cell stack 14 is continuously operated. The process of supplying hydrogen is repeatedly performed. (S700)

이상과 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 의한 연료전지 시스템은 상기 연료극에서 반응으로 생성되는 수소가스를 이용하여 연료전지 스택으로 공급되는 연료 및 공기를 가열함으로써, 연료 및 공기를 가열하기 위한 별도의 전원이 불필요하여 연료전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있고, 상기 연료극에서 생성되는 수소가스를 별도의 연료전지스택의 연료로 이용하여 연료전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. In the fuel cell system according to the present invention configured and operated as described above, a separate power source for heating fuel and air by heating fuel and air supplied to the fuel cell stack using hydrogen gas generated by reaction at the anode. Since this is unnecessary, the performance of the fuel cell system can be improved, and the energy efficiency of the fuel cell can be improved by using hydrogen gas generated at the anode as a fuel of a separate fuel cell stack.

Claims (27)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)이 전해질막을 사이에 두고 배열되는 메인 연료전지스택과;A main fuel cell stack in which an anode and a cathode are arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween; 상기 메인 연료전지스택의 연료극과 연료 공급라인으로 연결되어 상기 연료극에 수소가 포함된 연료를 공급하는 연료 공급장치와;A fuel supply device connected to a fuel electrode of the main fuel cell stack and a fuel supply line to supply fuel containing hydrogen to the fuel electrode; 상기 메인 연료전지스택의 공기극과 공기 공급라인으로 연결되어 상기 공기극에 산소가 포함된 공기를 공급하는 공기 공급장치와; An air supply device connected to the cathode of the main fuel cell stack and an air supply line to supply air containing oxygen to the cathode; 상기 연료 공급라인과 공기 공급라인에 설치되어 상기 연료극에서 반응할 때 생성되는 수소를 열원으로 사용하여 상기 메인 연료전지스택으로 공급되는 연료와 공기를 가열하는 가열장치와;A heating device installed in the fuel supply line and the air supply line to heat fuel and air supplied to the main fuel cell stack by using hydrogen generated when reacting at the anode as a heat source; 상기 연료극에서 반응할 때 생성되는 수소를 연료로 사용하는 서브 연료전지스택을 포함하는 연료전지 시스템.And a sub-fuel cell stack using hydrogen generated as a fuel when reacting at the anode. 제 6 항에 있어서, The method of claim 6, 상기 연료전지 시스템은 상기 메인 연료전지스택에서 반응할 때 생성되는 수소를 취출하기 위한 기액 분리기와, 상기 기액 분리기와 연료 공급장치의 연료탱크 사이에 연결되어 상기 기액 분리기에서 배출되는 연료를 연료탱크로 회수시키는 재순환 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The fuel cell system includes a gas-liquid separator for extracting hydrogen generated when reacting in the main fuel cell stack, and a fuel discharged from the gas-liquid separator connected between the gas-liquid separator and the fuel tank of the fuel supply device to a fuel tank. A fuel cell system, characterized in that it further comprises a recycling line for recovery. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 가열장치와 기액 분리기 사이를 연결하는 유로와, 상기 서브 연료전지스택과 기액 분리기 사이를 연결하는 유로 사이에는 두 개의 유로 중 어느 하나를 선택적으로 개방하는 개폐 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.A fuel cell, characterized in that the opening and closing valve for selectively opening any one of the two flow paths are installed between the flow path connecting the heating device and the gas-liquid separator, and the flow path connecting the sub-fuel cell stack and the gas-liquid separator. system. 제 8 항에 있어서, The method of claim 8, 상기 연료전지 시스템은 상기 가열장치와 상기 서브 연료전지스택으로 공급되는 수소량을 제어하여 상기 가열장치의 온도를 적정 수준으로 유지하면서 상기 서브 연료전지스택에 필요한 수소를 공급하도록 상기 개폐밸브의 개도량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The fuel cell system controls the amount of hydrogen supplied to the heating device and the sub-fuel cell stack so as to supply hydrogen required for the sub-fuel cell stack while maintaining the temperature of the heating device at an appropriate level. Fuel cell system, characterized in that it further comprises a control unit for controlling. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 상기 제어부는 상기 가열장치에 설치되어 가열장치의 온도를 검출하는 온도센서로부터 인가되는 전기 신호에 따라 상기 개폐 밸브의 개도량을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The control unit is installed in the heating device fuel cell system, characterized in that for adjusting the opening amount of the on-off valve in accordance with an electrical signal applied from a temperature sensor for detecting the temperature of the heating device. 삭제delete 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 상기 제어부는 상기 서브 연료전지스택의 출력에 따라 상기 개폐밸브의 개도량을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And the control unit adjusts an opening amount of the on / off valve according to the output of the sub fuel cell stack. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 상기 제어부는 상기 수소 배출라인에 설치되어 수소량의 검출하는 유량 센서와, 상기 가열장치에 설치되어 상기 가열장치의 온도를 검출하는 온도센서로부터 인가되는 신호에 따라 상기 개폐밸브의 개도량을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The control unit adjusts the opening amount of the open / close valve according to a signal applied from a flow rate sensor installed in the hydrogen discharge line to detect the amount of hydrogen and a temperature sensor installed in the heating device to detect the temperature of the heating device. A fuel cell system, characterized in that. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 가열장치는 상기 메인 연료전기스택의 연료극으로 공급되는 연료가 통과하는 연료관과 상기 공기극으로 공급되는 공기가 통과하는 공기관이 각각 장착되는 하우징과; The heating apparatus includes a housing in which a fuel pipe through which fuel supplied to the anode of the main fuel electric stack passes and an air pipe through which air supplied to the cathode passes; 상기 하우징에 설치되어 외부의 공기를 상기 하우징 내부로 송풍시키는 송풍팬과;A blowing fan installed in the housing to blow external air into the housing; 내부에 촉매가 장착되고, 상기 송풍팬에 의해 송풍되는 산소가 포함된 공기 및 상기 기액 분리기에서 배출되는 수소가 각각 유입되는 연소기를 포함하는 연료전지 시스템.And a combustor having a catalyst mounted therein, each of the air containing oxygen blown by the blower fan and a combustor into which hydrogen discharged from the gas-liquid separator flows. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 메인 연료전지스택의 연료극에서 반응으로 수소를 생성하는 제1단계와; A first step of generating hydrogen by reaction at a fuel electrode of the main fuel cell stack; 상기 연료극에서 배출되는 수소를 서브 연료전지스택으로 공급하는 제2단계와;Supplying hydrogen discharged from the anode to a sub fuel cell stack; 상기 서브 연료전지스택으로 공급되는 수소량을 조절하는 제3단계로 구성되며,And a third step of adjusting the amount of hydrogen supplied to the sub fuel cell stack, 상기 제3단계는 기액 분리기에서 상기 기액 분리기에서 배출되는 수소량을 검출하는 유량 센서로부터 제어부로 전기 신호가 인가되면 상기 제어부는 개폐밸브의 개도량을 조절하여 상기 서브 연료전지스택으로 공급되는 수소량을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.In the third step, when an electric signal is applied to the controller from a flow sensor that detects the amount of hydrogen discharged from the gas-liquid separator in the gas-liquid separator, the controller controls the opening amount of the on / off valve to supply the amount of hydrogen supplied to the sub fuel cell stack. Control method of a fuel cell system, characterized in that for adjusting. 삭제delete 메인 연료전지스택의 연료극에서 반응으로 수소를 생성하는 제1단계와; A first step of generating hydrogen by reaction at a fuel electrode of the main fuel cell stack; 상기 연료극에서 배출되는 수소를 가열장치와 서브 연료전지스택으로 공급하 는 제2단계와;Supplying hydrogen discharged from the anode to a heating device and a sub fuel cell stack; 상기 가열장치의 온도에 따라 가열장치와 서브 연료전지스택으로 공급되는 수소량을 조절하는 제3단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.And controlling the amount of hydrogen supplied to the heating device and the sub-fuel cell stack according to the temperature of the heating device. 제 20 항에 있어서, The method of claim 20, 상기 제3단계는 상기 가열장치에 설치된 온도센서가 연료, 공기, 또는 촉매의 온도 중 어느 하나의 온도를 검출하여 그 신호를 컨트롤러로 인가하면 상기 컨트롤러는 상기 가열장치의 온도와 설정온도를 비교하여 개폐 밸브의 개도량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.In the third step, when the temperature sensor installed in the heating device detects any one of the temperature of fuel, air, or catalyst and applies the signal to the controller, the controller compares the temperature of the heating device with the set temperature. A control method of a fuel cell system, characterized in that for controlling the opening amount of the on-off valve. 제 20 항에 있어서, The method of claim 20, 상기 제3단계는 상기 가열장치의 온도가 설정온도(β) 이상이면, 상기 가열장치로의 수소 공급을 차단하고 서브 연료전지스택으로 수소를 공급하는 단계와;The third step includes the step of interrupting the supply of hydrogen to the heating device and supplying hydrogen to the sub-fuel cell stack when the temperature of the heating device is higher than or equal to the set temperature β; 상기 단계에서, 상기 가열장치의 온도와 설정온도(α)를 비교하여, 상기 가열장치의 온도가 설정온도(α) 보다 낮으면, 상기 서브 연료전지스택으로의 수소 공급을 차단함과 아울러 상기 가열장치로 수소를 공급하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법. In this step, when the temperature of the heating device and the set temperature (α) is compared, if the temperature of the heating device is lower than the set temperature (α), the supply of hydrogen to the sub-fuel cell stack and the heating And supplying hydrogen to the device. 제 20 항에 있어서, The method of claim 20, 상기 제3단계는 상기 가열장치의 온도가 설정온도(β) 이상이면, 상기 가열 장치로의 수소공급을 차단하고 서브 연료전지스택으로 수소를 공급하는 단계와; The third step includes the step of interrupting the supply of hydrogen to the heating device and supplying hydrogen to the sub fuel cell stack when the temperature of the heating device is higher than or equal to the set temperature (β); 상기 단계에서, 상기 가열장치의 온도와 설정온도(α)를 비교하여, 상기 가열장치의 온도가 설정온도(α) 보다 낮으면, 상기 서브 연료전지스택으로의 수소를 계속 공급함과 아울러 상기 가열장치로 수소를 공급하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법. In this step, comparing the temperature of the heating device and the set temperature (α), if the temperature of the heating device is lower than the set temperature (α), and continues to supply hydrogen to the sub-fuel cell stack and the heating device The control method of a fuel cell system, characterized in that it comprises the step of supplying hydrogen to the furnace. 메인 연료전지스택의 연료극에서 반응으로 수소를 생성하는 제1단계와; A first step of generating hydrogen by reaction at a fuel electrode of the main fuel cell stack; 상기 연료극에서 배출되는 수소를 가열장치와 서브 연료전지스택으로 공급하는 제2단계와;Supplying hydrogen discharged from the anode to a heating device and a sub fuel cell stack; 상기 서브 연료전지스택에서 출력되는 전류량에 따라 가열장치와 서브 연료전지스택으로 공급되는 수소량을 조절하는 제3단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.And controlling the amount of hydrogen supplied to the heating apparatus and the sub fuel cell stack according to the amount of current output from the sub fuel cell stack. 제 24 항에 있어서, The method of claim 24, 상기 제3단계는 컨트롤러가 상기 서브 연료전지스택에서 출력되는 전류량과 설정치를 비교하여 개폐밸브의 개도량을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.In the third step, the controller compares the amount of current output from the sub-fuel cell stack with a set value to adjust the opening amount of the on-off valve. 메인 연료전지스택의 연료극에서 반응으로 수소를 생성하는 제1단계와; A first step of generating hydrogen by reaction at a fuel electrode of the main fuel cell stack; 상기 연료극에서 배출되는 수소를 가열장치와 서브 연료전지스택으로 공급하 는 제2단계와;Supplying hydrogen discharged from the anode to a heating device and a sub fuel cell stack; 상기 가열장치의 온도와 상기 연료극에서 배출되는 수소량에 따라 상기 가열장치와 서브 연료전지스택으로 공급되는 수소량을 조절하는 제3단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.And controlling the amount of hydrogen supplied to the heater and the sub fuel cell stack according to the temperature of the heater and the amount of hydrogen discharged from the anode. 제 26 항에 있어서, The method of claim 26, 상기 제3단계는 유량센서에서 상기 기액 분리기에서 배출되는 수소량을 검출하여 컨트롤러로 인가하면, 상기 컨트롤러는 상기 유량센서로부터 인가되는 전기신호에 따라 기액 분리기에서 배출되는 수소량을 판단하여 개폐밸브의 개도량을 제어하여 상기 가열장치로 공급되는 수소량과 상기 서브 연료전지스택으로 공급되는 수소량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.In the third step, when the flow rate sensor detects the amount of hydrogen discharged from the gas-liquid separator and applies it to the controller, the controller determines the amount of hydrogen discharged from the gas-liquid separator according to the electric signal applied from the flow rate sensor. Controlling the amount of hydrogen supplied to the heating apparatus and the amount of hydrogen supplied to the sub-fuel cell stack.
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