KR100999589B1 - 연료전지 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 연료처리장치 내에서 방출되는 폐열을 회수하여 연료가스 및/또는 산화제가스의 완전가습을 구현하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 수소 함유 연료가스를 공급하는 연료처리장치, 산소 함유 산화제가스를 공급하는 산화제가스 공급장치, 상기 연료가스와 상기 산화제가스를 사용하여 전기화학반응을 일으키는 연료전지스택, 상기 연료전지스택에서 발생된 열을 냉각하는 냉각장치, 상기 냉각장치에서 공급되어 상기 연료전지스택을 순환하여 배출되는 고온의 냉각수로부터 폐열을 회수하는 열회수장치, 및 자체 압력을 가지는 직수를 공급하여, 상기 연료처리장치의 폐열로 수증기를 생성하고, 상기 수증기를 상기 연료전지스택에 공급되는 상기 연료가스 및 상기 산화제가스 중 적어도 하나에 공급하여 가습하는 수증기발생장치를 포함한다.
Figure R1020090010292
열회수장치, 연료처리장치, 폐열, 수증기발생장치, 가습

Description

연료전지 시스템 및 그 제어방법 {Fuel Cell System and Method Controlling Humidification Thereof}
본 발명은 고분자 전해질 연료전지스택을 사용하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지스택에 공급되는 연료가스 및/또는 산화제가스의 가습을 원활하게 하여, 전력을 안정적으로 생산하는 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 시스템은 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하며, 수소를 함유한 연료가스와 산소를 함유한 산화제가스를 사용하여 전기화학반응을 일으켜 전기 및 열을 발생시킨다.
연료가스 및 산화제가스는 각각 가습장치에 의하여 가습된 후, 연료전지스택으로 공급된다. 가습장치는, 예를 들면, 버블러(Bubbler)형 가습장치는 히터를 사용하여 생성된 온수에 연료가스 및 산화제가스를 각각 통과시킴으로써 수분을 공급한다. 그러나 버블러형 가습장치는 물을 가열하기 위하여 에너지를 사용하므로 연료전지 시스템의 소비전력을 증가시킨다. 즉 연료전지 시스템의 효율이 저하된다.
다른 예를 들면, 막형 가습장치는 연료전지스택의 연료가스 및 산화제가스 각 출구 측에서부터 수분을 포함하는 별도의 가스를 수증기 투과막으로 경유 이동시키므로 연료가스 및 산화제가스에 수분을 공급한다. 막형 가습장치는 연료전지스택으로부터 배출되는 열과 수분을 이용하여 가습하기 때문에 버블러형 가습장치보다 에너지를 저감시킬 수 있다. 그러나 막형 가습장치는 연료전지스택으로 공급되는 연료가스 및 산화제가스를 완전가습상태로 만들기 어려우며, 완전가습상태를 위해서 투과막의 면적을 증가시켜야 한다. 즉 연료전지 시스템 내에서, 가습장치의 규모가 커진다.
본 발명의 일 실시예는 추가 에너지를 사용하지 않고, 가습장치의 구성을 최소화하면서, 연료가스 및/또는 산화제가스의 완전가습을 구현하는 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예는 연료처리장치 내에서 방출되는 폐열을 회수하여 연료가스 및/또는 산화제가스의 완전가습을 구현하는 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 수소 함유 연료가스를 공급하는 연료처리장치, 산소 함유 산화제가스를 공급하는 산화제가스 공급장치, 상기 연료가스와 상기 산화제가스를 사용하여 전기화학반응을 일으키는 연료전지스택, 상기 연료전지스택에서 발생된 열을 냉각하는 냉각장치, 상기 냉각장치에서 공급되어 상기 연료전지스택을 순환하여 배출되는 고온의 냉각수로부터 폐열을 회수하는 열회수장치, 및 자체 압력을 가지는 직수를 공급하여, 상기 연료처리장치의 폐열로 수증기를 생성하고, 상기 수증기를 상기 연료전지스택에 공급되는 상기 연료가스 및 상기 산화제가스 중 적어도 하나에 공급하여 가습하는 수증기발생장치를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 상기 직수의 압력을 조절하여 공급되는 상기 직수의 유량을 조절하는 직수감압기와, 상기 직수감압기와 상기 수증기발생장치 사이에 설치되어 가습에 필요한 수증기의 양을 조절하는 비례제어밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 상기 직수감압기와 상기 비례제어밸브 사이에 설치되어 공급되는 상기 직수를 변환시켜 순수를 생성하는 순수생성장치를 더 포함할 수 있다.
상기 수증기발생장치는 상기 연료처리장치 내에 설치되며, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 상기 연료전지스택으로 공급되는 상기 연료가스에 상기 수증기를 분사하도록 상기 연료전지스택의 연료가스입구 측에 설치되는 분사노즐을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은 상기 산화제가스 공급장치와 상기 연료전지스택의 산화제가스 입구 사이에 설치되는 가습장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은 상기 연료전지스택에서 발생되는 전압을 시간의 경과에 따라 측정하는 전압검지부, 및 상기 전압검지부에서 측정되는 전압에 따라 상기 연료전지스택으로 유입되는 냉각수온도를 제어하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 상기 제어장치와 상기 연료전지스택에서 발생된 직류전력을 교류전력으로 변환하여 발전전력을 측정하는 전력변환기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은 상기 연료전지스택의 냉각수입구온도를 측정하는 냉각수입구온도센서, 상기 연료전지스택의 연료가스입구온도를 측정하는 연료가스입구온도센서, 및 상기 연료전지스택의 산화제가스입구온도를 측정하는 산화제가스입구온도센서를 더 포함할 수 있다. 상기기 비례제어밸브는 상기 냉각수입구온도센서, 상기 연료가스입구온도센서 및 상기 산화제가스입구온도센서의 감지신호에 따라 상기 가습에 필요한 수증기의 양을 제어할 수 있다.
상기 수증기발생장치는 상기 연료처리장치 내에 설치되며, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은 상기 연료전지스택으로 공급되는 상기 산화제가스에 상기 수증기를 분사하도록 상기 연료전지스택의 산화제가스입구 측에 설치되는 분사노즐을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어방법은, 연료전지스택에서 발생되는 발전전력을 측정하는 발전전력측정단계, 상기 발전전력측정단계에서 측정된 발전전력에 따라 상기 연료전지스택의 냉각수를 설정된 값으로 유지시키는 연료 전지스택 내부온도유지단계, 및 상기 연료전지스택 내부온도유지단계 이후, 상기 연료전지스택으로 공급되는 냉각수, 연료가스 및 산화제가스 각 입구온도를 측정하고, 측정된 각 측정온도 값이 설정 값 이상이면 상기 연료전지스택의 가습을 정지/감소하고, 측정온도 값이 설정 값 미만이면 비례제어밸브를 개방하여 가습을 수행 유지하는 가습유지단계를 포함할 수 있다.
상기 발전전력측정단계는, 측정된 상기 발전전력이 설정 범위에 속하는가를 판단하며, 만족 시까지 발전전력 측정을 반복하는 발전전력판단단계를 포함할 수 있다.
상기 연료전지스택 내부온도유지단계는, 상기 연료전지스택에 공급되는 냉각수입구에서 냉각수온도를 측정하는 냉각수온도측정단계, 및 상기 냉각수온도가 설정 값 범위에 속하는가를 판단하며, 만족 시까지 열교환기에 연결되는 열교환펌프의 유량을 조절하면서 상기 냉각수온도측정을 반복하는 냉각수온도판단단계를 포함할 수 있다.
상기 가습유지단계는, 상기 연료전지스택에서 발생된 전압의 변동폭을 측정하는 전압변동폭측정단계, 및 상기 전압변동폭측정단계에서 측정된 전압변동폭이 설정 값 범위에 속하는 가를 판단하며, 만족 시까지 상기 비례제어밸브를 폐쇄하여 가습을 정지하는 전압변동폭 판단단계를 더 포함할 수 있다.
상기 가습유지단계는, 상기 전압변동폭이 설정 값 범위에 속하는 경우, 상기 연료전지스택의 각 입구로 공급되는 연료가스 및 산화제가스의 온도를 각각 측정하는 가스온도측정단계, 상기 연료가스 및 상기 산화제가스의 온도측정 값이 설정 값 보다 작은가를 판단하는 가스온도판단단계, 상기 온도측정 값이 상기 설정 값보다 작으면 가습하기 위하여 상기 비례제어밸브를 개방하는 개방단계, 및 상기 온도측정 값이 상기 설정 값 이상이면 가습을 정지/감소하기 위하여 상기 비례제어밸브를 폐쇄 또는 유량 감소하는 폐쇄/감소단계를 포함할 수 있다.
상기 가습유지단계는, 상기 폐쇄/감소단계 이후, 설정 시간 동안 상기 연료전지스택으로 공급되는 연료가스 및 산화제가스의 온도를 재측정하는 가스온도재측정단계, 및 상기 연료가스 및 상기 산화제가스의 온도재측정 값이 설정 값 범위에 속하는 가를 판단하는 재측정온도 범위판단단계를 포함하며, 상기 온도재측정 값이 설정 값 범위에 속하는 경우, 다시 전압변동폭 측정단계를 수행할 수 있다.
상기 가습유지단계는 상기 연료가스 및 상기 산화제가스 중 적어도 하나를 가습할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 별도의 물펌프를 사용하지 않으며, 또한 추가 소비전력 없이 직수를 공급하고, 연료처리장치 내에서 방출되는 폐열을 이용하는 수증기발생장치에서 수증기를 발생시켜 연료가스 및/또는 산화제가스에 분사하여 완전가습을 구현하므로 연료전지 시스템의 구성을 단순하게 하고 또한 소비전력을 줄이는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한 다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다. 도1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은, 전기화학반응으로 전기 에너지를 발생시키는 연료전지스택(10), 연료전지스택(10)에 수소를 포함하는 연료가스를 공급하는 연료처리장치(20), 연료전지스택(10)에 산소를 포함하는 산화제가스를 공급하는 산화제가스 공급장치(30), 연료전지스택(10)에서 발생되는 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하는 전력변환기(40) 및 이들을 제어하는 제어장치(90)를 포함한다.
일례를 들면, 연료전지스택(10)은 수소이온 교환특성을 가지는 고분자막을 전해질로 사용하며, 수소와 산소로 전기화학반응을 일으켜 전기를 발생시키는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로 형성될 수 있다.
연료처리장치(20)는 연료를 개질하여 수소를 포함하는 연료가스를 연료전지스택(10)의 연료가스입구로 공급한다. 산화제가스 공급장치(30)는 콤프레서 또는 송풍기로 형성될 수 있으며, 산소를 포함하는 공기, 즉 산화제가스를 연료전지스택(10)의 산화제가스입구로 공급한다.
제1 실시예의 연료전지 시스템(100)은 연료전지스택(10)에 공급되는 연료가스 및/또는 산화제가스의 원활한 가습을 위한 구성들을 더 포함한다. 예를 들면, 연료전지 시스템(100)은 냉각장치(50)와 열회수장치(60)와 수증기발생장치(70), 직수감압기(61), 비례제어밸브(62) 및 순수생성장치(63)를 더 포함한다. 또한, 연료전지 시스템(100)은 산화제가스 공급장치(30)와 연료전지스택(10)의 산화제가스입구 사이에 설치되는 가습장치(31)와 산화제가스입구 온도센서(32)를 더 포함한다.
직수감압기(61)는 직수 공급라인(미도시)을 순수생성장치(63)의 일측에 연결한다. 직수감압기(61)는 외부의 직수 공급라인에 연결되어 외부에서 공급되는 직수, 즉 수돗물의 압력을 감압하여 직수의 유량을 조절한다. 이로써 연료전지스택(10)에 직수가 사용될 수 있다. 직수감압기(61)는 연료전지스택(10)에 공급되는 연료가스의 가습에 필요한 수분을 공급할 때, 별도의 물 공급장치, 즉 물펌프(미도시)를 불필요하게 하고, 이로 인하여, 추가적인 전력소비가 발생되지 않는다. 순수생성장치(63)는 직수감압기(61)로 공급되는 직수를 순수로 변환한다.
또한, 비례제어밸브(62)는 수증기발생장치(70)를 순수생성장치(63)의 다른 일측에 연결한다. 비례제어밸브(62)는 열회수장치(60)에서 수증기발생장치(70)로 공급되는 직수, 보다 구체적으로 설명하면, 순수의 양을 제어함으로써, 연료가스의 가습 정도를 조절하며, 또한 순수의 공급을 단속하여 연료가스의 가습을 수행 또는 정지시킨다.
수증기발생장치(70)는 연료처리장치(20)의 내부 또는 일측에서 폐열을 이용할 수 있도록 구비되어, (비례제어밸브(62) 또는 비례제어밸브(62)와 순수생성장치(63)를 경유하여 공급되는 직수 또는 순수를 이용하여, 연료처리장치(20)에서 외부로 방출되는 폐열을 회수하여 수증기를 발생시킨다. 수증기발생장치(70)는 연료 처리장치(20)에서 가열된 폐열을 이용하여 순수를 사용하므로 가습을 위한 수증기 발생에 별도의 에너지 사용을 불필요하게 한다.
한편, 연료처리장치(20)와 연료전지스택(10)은 연료가스 공급관로(21) 및 연료가스 배출관로(22)로 연결되어, 서로의 사이에서 연료가스를 공급하고 또한 잔여 연료가스를 배출한다.
제어밸브들(23, 24)은 연료가스 공급관로(21) 및 연료가스 배출관로(22) 각각에 설치되어, 연료가스의 공급 및 배출을 각각 단속한다. 또한 연료가스 공급관로(21) 및 연료가스 배출관로(22)는 바이패스 관로(25)로 서로 연결된다. 바이패스 관로(25)에 설치되는 제어밸브(26)는 연료처리장치(20)와 연료전지스택(10) 사이에서 연료가스의 공급 및 배출을 바이패스 시킬 수 있다.
연료가스입구 온도센서(27)는 연료가스 공급관로(21)로 연결되는 연료전지스택(10)의 연료가스입구에 구비되며, 공급되는 연료가스의 온도를 감지하여 감지신호를 제어장치(90)에 인가한다.
또한, 수증기발생장치(70)는 상기한 바와 같이, 일측으로 비례제어밸브(62)에 연결되어 순수를 공급받고, 연료처리장치(20)의 폐열을 회수하여 수증기를 발생시키며, 다른 일측으로 분사노즐(71)에 연결되어 발생된 수증기를 분사한다. 분사노즐(71)은 연료가스 공급관로(21)에 설치되므로 연료전지스택(10)의 연료가스입구에 수증기를 분사한다. 즉 수증기는 연료가스를 가습한다.
즉, 순수생성장치(63)에서 생성된 순수는 비례제어밸브(62)를 통하여 수증기발생장치(70)로 공급되고, 연료처리장치(20)에서 방출되는 폐열을 회수하여 수증기 로 변한다.
냉각장치(50)는 냉각수를 연료전지스택(10)으로 공급하여 연료전지스택(10)을 냉각한다. 예를 들면, 냉각장치(50)는 냉각수를 저장하는 냉각수탱크(51), 냉각수탱크(51)에 연결되어 냉각수를 연료전지스택(10)의 냉각수입구로 공급하는 냉각수펌프(52), 및 연료전지스택(10)의 냉각수입구에 설치되어 냉각수입구에서 냉각수온도를 감지하는 냉각수입구 온도센서(53)를 포함한다.
냉각수입구 온도센서(53)의 감지에 따라 냉각수펌프(52)가 구동된다. 냉각수펌프(52)의 구동으로 연료전지스택(10)의 냉각수입구로 공급된 냉각수는 연료전지스택(10)을 냉각하고 고온 상태로 변화되어 냉각수출구로 배출되어 냉각수탱크(51)로 유입되어 재순환된다.
연료전지스택(10)에서 냉각수탱크(51)로 유입되는 고온의 냉각수는 열교환기(55)를 경유하면서 냉각된다. 또한 열교환기(55)는 열교환펌프(54)를 개재하여 열회수장치(60)에 연결된다. 열교환펌프(54)의 구동으로 열회수장치(60)의 저온 냉각수를 열교환기(55)로 순환 공급하여, 연료전지스택(10)을 냉각한 고온 냉각수의 폐열을 회수한다. 열교환펌프(54)및 열교환기(55)는 연료전지스택(10)의 냉각수출구에 설치되는 냉각수출구 온도센서(56)의 감지에 따라 작동되어, 연료전지스택(10)의 폐열을 회수한다.
한편, 연료전지 시스템(100)은 전압검지부(80)를 더 포함한다. 전압검지부(80)는 연료전지스택(10)에서 발생되는 전압을 시간의 경과에 따라 측정하여 그 감지신호를 제어장치(90)에 인가한다. 따라서 제어장치(90)는 전압검지부(80)에서 측정된 전압에 따라 연료전지스택(10)으로 유입되는 냉각수를 설정된 온도 범위로 유지시키면서 냉각수입구에서 냉각수의 온도를 제어할 수 있다.
전압검지부(80)는 연료전지스택(10)의 가습 수행에 대한 최초 판단을 전압 변동폭으로 결정할 수 있게 한다. 또한, 전력변환기(40)는 연료전지스택(10)에서 전력 생산을 시작한 이후, 발전전력을 지속적으로 측정하여 발전전력이 설정 값 범위에 속하는지를 판단하게 한다.
제어장치(90)는 전압검지부(80)의 감지신호를 받아서, 연료전지스택(10) 및 연료전지스택(10)에 연결되는 전력변환기(40)를 제어한다. 산화제가스입구 감지센서(32), 냉각수입구 온도센서(53) 및 연료가스입구 온도센서(27)는 제어장치(90)에 연결되어, 각각의 온도를 감지하여 제어장치(90)에 감지신호를 인가한다.
도2 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타내는 순서도이다. 도1 및 도2를 참조하면, 연료전지 시스템의 제어방법은 연료전지스택(10)에서 발전되는 전력을 측정하는 발전전력측정단계(ST10), 발전전력에 따라 연료전지스택(10)의 냉각수온도를 설정 값 범위로 유지하는 연료전지스택 내부온도유지단계(이하, "내부온도유지단계"라 한다)(ST20) 및 연료가스 및/또는 산화제가스에 선택적으로 수증기를 공급하는 가습유지단계(ST30)를 포함한다.
발전전력측정단계(ST10)는 연료전지스택(10)에서 전력 생산을 시작 후에 발전전력을 전력변환기(40)에서 지속적으로 측정하는 발전전력 측정단계(ST11)와, 측정된 발전전력이 설정 범위에 속하는가를 제어장치(90)에서 판단하는 발전전력판단단계(ST12)를 포함한다. 발전전력판단단계(ST12)는 측정된 발전전력이 설정 범위에 속할 때까지 발전전력 측정단계(ST11)를 반복한다. 발전전력측정단계(ST10)의 결과에 따라 내부온도유지단계(ST20)가 진행된다.
내부온도유지단계(ST20)는 연료전지스택(10)의 냉각수온도를 설정된 값 범위로 유지시켜 연료전지스택(10) 내부의 온도를 일정 수준으로 유지시킨다. 내부온도유지단계(ST20)는 연료전지스택에 공급되는 냉각수입구에서 냉각수온도를 측정하는 냉각수온도측정단계(ST21)와, 냉각수온도가 설정 값 범위에 속하는가를 판단하는 냉각수온도판단단계(ST22)를 포함한다.
냉각수온도판단단계(ST22)는 냉각수온도가 설정 값 범위에 속할 때까지, 열교환기(55)에 연결된 열교환펌프(54)의 유량을 조절하면서 냉각수온도측정을 반복한다. 연료전지스택(10) 내부의 온도가 일정하게 유지된 후, 가습유지단계(ST30)가 진행된다.
가습유지단계(ST30)는 연료전지스택(10)으로 공급되는 냉각수, 연료가스 및 산화제가스 각 입구온도를 측정하고, 각 측정온도 값이 설정 값 범위 이상이면 연료전지스택(10)의 가습을 정지/감소하고, 측정온도 값이 설정 값 범위 미만이면 비례제어밸브(62)를 개방하여 가습을 수행 유지한다.
먼저, 가습유지단계(ST30)는 연료전지스택(10)에서 발생된 전압의 변동폭을 측정하는 전압변동폭측정단계(ST311)와, 전압변동폭측정단계(ST311)에서 측정된 전압변동폭이 설정 값 범위에 속하는 가를 판단하는 전압변동폭 판단단계(ST312)를 포함한다. 또한 전압변동폭 판단단계(ST312)는 측정된 전압변동폭이 설정 값 범위에 속할 때까지 비례제어밸브(62)를 폐쇄하여 가습을 정지한다. 측정한 전압변동폭 이 설정 값 범위에 속하는 경우, 가습유지단계(ST30)에서 전압변동폭 판단단계(ST312)의 다음 단계가 진행된다.
측정한 전압변동폭이 설정 값 범위에 속하는 경우, 가습유지단계(ST30)는 연료전지스택(10)의 각 입구로 공급되는 연료가스 및 산화제가스의 온도를 각각 측정하는 가스온도측정단계(ST321)와, 가스온도측정단계(ST321)에서 측정한 연료가스 및 산화제가스의 온도측정 값이 설정 값보다 작은가를 판단하는 가스온도판단단계(ST322)를 포함한다. 또한 가스온도판단단계(ST322)는 온도측정 값이 설정 값보다 작을 때까지 가스온도측정을 반복한다.
온도측정 값이 설정 값보다 작은 경우, 가습유지단계(ST30)는 비례제어밸브(62)를 개방하는 개방단계(ST33)를 포함한다. 개방단계(ST33)는 비례제어밸브(62)를 개방하여 온수를 공급하고 수증기발생장치(70)에서 발생되는 수증기를 연료전지스택(10)으로 공급하여 연료가스 또는 산화제가스를 가습한다.
온도측정 값이 설정 값 이상인 경우, 가습유지단계(ST30)는 비례제어밸브(62)를 폐쇄 또는 유량 감소 제어하는 폐쇄/감소단계(ST34)를 포함한다. 폐쇄/감소단계(ST34)는 온도측정 값이 상기 설정 값 이상이면, 비례제어밸브(62)를 폐쇄 제어 또는 유량 감소 제어함으로써 가습을 정지 또는 감소한다.
또한, 가습유지단계(ST30)는 폐쇄/감소단계(ST34) 이후, 설정 시간 동안 연료전지스택(10)으로 공급되는 연료가스 및 산화제가스의 온도를 재측정하는 가스온도재측정단계(ST35), 및 연료가스 및 산화제가스의 온도재측정 값이 설정 값 범위에 속하는 가를 판단하는 재측정온도 범위판단단계(ST36)를 포함한다.
온도재측정 값이 설정 값 범위에 속하는 경우, 제어장치(90)는 다시 전압변동폭측정단계(ST31)를 수행한다. 따라서 재측정온도 범위판단단계(ST36)는 가습 정지 및 감소 제어 후, 가스온도를 설정 시간 동안 특정 간격을 가지고 복수회 측정하여 온도재측정 값이 설정 값 범위에 만족하게 되면, 다시 전압변동폭을 측정하여(ST31) 최초의 가습조건을 판단하게 한다.
이와 같이, 가습유지단계(ST30)는 지속적으로 측정한 발전 전압변동폭의 시간 경과에 따른 값이 설정 값 범위에 속하는 지를 1차 근거로 하고, 각 입구에서 측정된 가스의 온도측정 값을 2차 근거로 하여, 비례제어밸브(62)를 제어함으로써, 가습의 정도를 제어한다.
도3 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다. 제2 실시예에서 제1 실시예의 구성과 유사 내지 동일한 구성에 대한 설명을 생략하고 제1 실시예의 구성과 다른 구성에 대하여 설명한다.
제1 실시예는 별도의 가습장치(31)를 통하여 산화제가스를 가습하고, 동시에수증기발생장치(70)에서 발생된 수증기를 연료가스에 분사하는데 비하여, 제2 실시예는 연료가스를 가습하지 않고, 수증기발생장치(70)에서 발생된 수증기를 산화제가스에 분사하여 산화제가스를 가습한다.
이를 위하여, 분사노즐(71)은 연료전지스택(10)의 산화제가스입구 측에 설치된다. 즉 분사노즐(71)은 산화제가스 공급장치(30)와 연료전지스택(10) 사이에 설치되어 산화제가스에 수증기를 분사한다.
연료가스는 연료처리장치(20)의 연료처리 과정에서 일부 수증기를 포함한다. 그리고 연료전지스택(10)의 운전시, 가습의 변화에 대한 영향은 산화제가스의 가습량에 의해 지배적으로 좌우된다.
제2 실시예는 제1 실시예의 산화제가스 공급장치(30) 측의 가습장치(31)를 제거하고, 비례제어밸브(62)로부터 순수를 공급받아 수증기발생장치(70)에 의해 생성된 수증기로 산화제가스를 가습한다.
따라서 제2 실시예는 제1 실시예에 비하여 가습장치(31)를 제거함으로써 연료전지 시스템(200)의 전체 구성을 간소화 하고, 산화제가스를 가습하는 가습량의 조절을 통하여 안정적인 운전을 가능하게 한다.
이상을 통해 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 것은 당연하다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도2 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도3 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 200 : 연료전지 시스템 10 : 연료전지스택
20 : 연료처리장치 30 : 산화제가스 공급장치
40 : 전력변환기 50 : 냉각장치
60 : 열회수장치 70 : 수증기발생장치
80 : 전압검지부 90 : 제어장치
21 : 연료가스 공급관로 22 : 연료가스 배출관로
23, 24, 26 : 제어밸브 25 : 바이패스 관로
27 : 연료가스입구 온도센서 31 : 가습장치
32 : 산화제가스입구 온도센서 51 : 냉각수탱크
52 : 냉각수펌프 53 : 냉각수입구 온도센서
54 : 열교환펌프 55 : 열교환기
56 : 냉각수출구 온도센서 61 : 직수감압기
62 : 비례제어밸브 63 : 순수생성장치

Claims (16)

  1. 수소 함유 연료가스를 공급하는 연료처리장치;
    산소 함유 산화제가스를 공급하는 산화제가스 공급장치;
    상기 연료가스와 상기 산화제가스를 사용하여 전기화학반응을 일으키는 연료전지스택;
    상기 연료전지스택에서 발생된 열을 냉각하는 냉각장치;
    상기 냉각장치에서 공급되어 상기 연료전지스택을 순환하여 배출되는 고온의 냉각수로부터 폐열을 회수하는 열회수장치; 및
    자체압력을 가지는 직수를 공급하여, 상기 연료처리장치의 폐열로 수증기를 생성하고, 상기 수증기를 상기 연료전지스택에 공급되는 상기 연료가스 및 상기 산화제가스 중 적어도 하나에 공급하여 가습하는 수증기발생장치를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 직수의 압력을 조절하여 공급되는 상기 직수의 유량을 조절하는 직수감압기와
    상기 직수감압기와 상기 수증기발생장치 사이에 설치되어 가습에 필요한 수증기의 양을 조절하는 비례제어밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 직수감압기와 상기 비례제어밸브 사이에 설치되어 공급되는 상기 직수를 변환시켜 순수를 생성하는 순수생성장치를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 수증기발생장치는 상기 연료처리장치 내에 설치되며,
    상기 연료전지스택으로 공급되는 상기 연료가스에 상기 수증기를 분사하도록 상기 연료전지스택의 연료가스입구 측에 설치되는 분사노즐을 더 포함하는 연료전지 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 산화제가스 공급장치와 상기 연료전지스택의 산화제가스 입구 사이에 설치되는 가습장치를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 연료전지스택에서 발생되는 전압을 시간의 경과에 따라 측정하는 전압검지부, 및
    상기 전압검지부에서 측정되는 전압에 따라 상기 연료전지스택으로 유입되는 냉각수온도를 제어하는 제어장치를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제어장치와 상기 연료전지스택에서 발생된 직류전력을 교류전력으로 변환하여 발전전력을 측정하는 전력변환기를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 연료전지스택의 냉각수입구온도를 측정하는 냉각수입구온도센서,
    상기 연료전지스택의 연료가스입구온도를 측정하는 연료가스입구온도센서, 및
    상기 연료전지스택의 산화제가스입구온도를 측정하는 산화제가스입구온도센서를 더 포함하며,
    상기 비례제어밸브는,
    상기 냉각수입구온도센서, 상기 연료가스입구온도센서 및 상기 산화제가스입구온도센서의 감지신호에 따라 상기 가습에 필요한 수증기의 양을 제어하는 연료전지 시스템.
  9. 제2 항에 있어서,
    상기 수증기발생장치는 상기 연료처리장치 내에 설치되며,
    상기 연료전지스택으로 공급되는 상기 산화제가스에 상기 수증기를 분사하도록 상기 연료전지스택의 산화제가스입구 측에 설치되는 분사노즐을 더 포함하는 연료전지 시스템.
  10. 연료전지스택에서 발생되는 발전전력을 측정하는 발전전력측정단계;
    상기 발전전력측정단계에서 측정된 발전전력에 따라 상기 연료전지스택의 냉각수를 설정된 값으로 유지시키는 연료전지스택 내부온도유지단계; 및
    상기 연료전지스택 내부온도유지단계 이후, 상기 연료전지스택으로 공급되는 냉각수, 연료가스 및 산화제가스 각 입구온도를 측정하고, 측정된 각 측정온도 값이 설정 값 이상이면 상기 연료전지스택의 가습을 정지/감소하고, 측정온도 값이 설정 값 미만이면 비례제어밸브를 개방하여 가습을 수행 유지하는 가습유지단계를 포함하는 연료전지 시스템 제어방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 발전전력측정단계는,
    측정된 상기 발전전력이 설정 범위에 속하는가를 판단하며, 만족 시까지 발전전력 측정을 반복하는 발전전력판단단계를 포함하는 연료전지 시스템 제어방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 연료전지스택 내부온도유지단계는,
    상기 연료전지스택에 공급되는 냉각수입구에서 냉각수온도를 측정하는 냉각수온도측정단계, 및
    상기 냉각수온도가 설정 값 범위에 속하는가를 판단하며, 만족 시까지 열교 환기에 연결되는 열교환펌프의 유량을 조절하면서 상기 냉각수온도측정을 반복하는 냉각수온도판단단계를 포함하는 연료전지 시스템 제어방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 가습유지단계는,
    상기 연료전지스택에서 발생된 전압의 변동폭을 측정하는 전압변동폭측정단계, 및
    상기 전압변동폭측정단계에서 측정된 전압변동폭이 설정 값 범위에 속하는 가를 판단하며, 만족 시까지 상기 비례제어밸브를 폐쇄하여 가습을 정지하는 전압변동폭 판단단계를 더 포함하는 연료전지 시스템 제어방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 가습유지단계는,
    상기 전압변동폭이 설정 값 범위에 속하는 경우, 상기 연료전지스택의 각 입구로 공급되는 연료가스 및 산화제가스의 온도를 각각 측정하는 가스온도측정단계,
    상기 연료가스 및 상기 산화제가스의 온도측정 값이 설정 값보다 작은가를 판단하는 가스온도판단단계,
    상기 온도측정 값이 상기 설정 값보다 작으면 가습하기 위하여 상기 비례제어밸브를 개방하는 개방단계, 및
    상기 온도측정 값이 상기 설정 값 이상이면 가습을 정지/감소하기 위하여 상 기 비례제어밸브를 폐쇄 또는 유량 감소하는 폐쇄/감소단계를 포함하는 연료전지 시스템 제어방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 가습유지단계는,
    상기 폐쇄/감소단계 이후, 설정 시간 동안 상기 연료전지스택으로 공급되는 연료가스 및 산화제가스의 온도를 재측정하는 가스온도재측정단계, 및
    상기 연료가스 및 상기 산화제가스의 온도재측정 값이 설정 값 범위에 속하는 가를 판단하는 재측정온도 범위판단단계를 포함하며,
    상기 온도재측정 값이 설정 값 범위에 속하는 경우, 다시 전압변동폭 측정단계를 수행하는 연료전지 시스템 제어방법.
  16. 제10 항에 있어서,
    상기 가습유지단계는,
    상기 연료가스 및 상기 산화제가스 중 적어도 하나를 가습하는 연료전지 시스템 제어방법.
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