KR101023141B1 - 연료전지 시스템 및 그 운전 방법 - Google Patents

연료전지 시스템 및 그 운전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 운전 방법은 연료전지 발전부가 발전 정지된 상태에서 상기 연료전지 발전부의 온도를 측정하여 기 설정된 온도 범위에 포함되는지를 검출하는 온도 검출 단계, 상기 연료전지 발전부가 재기동되는 조건에서 상기 연료전지 발전부의 온도 정보에 따라 상기 연료전지 발전부에 역전류를 공급하는 역전류 공급 단계, 및 상기 연료전지 발전부에 역전류의 공급을 중단하고서 상기 연료전지 발전부에서 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 발전 단계를 포함한다.
연료전지, 역전류, 극저온, 컨버터, 스위치, 배터리, 제어기

Description

연료전지 시스템 및 그 운전 방법{Fuel Cell System and Operating Method thereof}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 온도가 극히 높거나 낮은 극한 환경에 방치된 후에 재기동하는 과정에서 연료전지 효율이 저하되는 것을 방지하도록 개선된 연료전지 시스템 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 연료의 산화 반응, 및 이 연료와 별도인 산화제 가스의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이다. 이러한 연료전지로는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)를 비롯하여 여러 종류의 연료전지가 있다.
고분자 전해질형 연료전지는 액체 연료 또는 가스 연료로부터 개질된 개질 가스, 및 공기와 같은 산화제 가스를 제공받는다. 그리고, 고분자 전해질형 연료전지는 개질 가스의 산화 반응과 산화제 가스의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다. 직접 메탄올 연료전지는 액체 연료 및 공기를 제공받아서, 연료의 산화 반응과 산화제 가스의 환원 반응에 따라 전기 에너지를 발생시킨다. 이러한 직 접 메탄올 연료전지는 시스템의 구성요소가 간단하여, 휴대용 전원기기로 사용되고 있다.
이와 같은 연료전지 방식을 채용한 연료전지 시스템은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기 에너지를 생성시키는 연료전지 발전부를 구비한다. 그리고, 연료전지 시스템은 연료전지 발전부에 수소를 함유하는 연료를 공급하는 연료 공급부와, 연료전지 발전부에 산소를 함유하는 산화제 가스를 공급하는 산화제 공급부를 기본 구성요소로 더 구비한다.
하지만, 종래의 연료전지 시스템은 온도가 극히 높거나 낮은 극한 환경에 방치된 후에 재기동하는 과정에서 연료전지 효율이 저하되는 문제점이 있다. 특히, 직접 메탄올 연료전지는 휴대용 전원기기로 널리 사용되기 때문에, 극히 온도가 높거나 낮은 극한 환경에 방치될 가능성이 더욱 높아서 재기동 과정에서 연료전지 효율이 매우 낮아질 수 있는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 종래의 연료전지 시스템은 연료전지 발전부에 역전류(reverse current)를 인가하는 구성이 제시되기도 한다. 즉, 종래의 연료전지 시스템은 연료전지 발전부에 역전류를 공급함으로써, 극히 온도가 높거나 낮은 극한 환경에 연료전지 발전부가 방치되더라도 재기동 과정에서 연료전지 효율이 신속하게 회복되도록 한다.
하지만, 종래의 연료전지 시스템은 적게는 18초에서 많게는 180초까지 역전류를 공급하는데, 온도가 극히 높거나 낮은 극한 환경에 방치되지 않더라도 역전류가 공급될 가능성이 있다. 이로 인해, 종래의 연료전지 시스템은 연료전지 발전부 가 방치된 후에 재기동 과정에서 불필요한 전력이 소비될 가능성이 있어서, 이를 개선할 필요성이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 온도가 극히 높거나 낮은 극한 환경에 방치된 후에 재기동하는 과정에서 연료전지 발전부에 역전류를 공급하도록 구성함으로써, 연료전지의 효율을 신속하게 향상시키는 연료전지 시스템 및 그 운전 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 연료전지 발전부에 역전류를 공급하더라도, 종래에 비해 추가적인 전력이 소비되지 않도록 개선한 연료전지 시스템 및 그 운전 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 발전부, 상기 연료전지 발전부에 수소를 함유하는 연료를 공급하는 연료 공급부, 상기 연료전지 발전부에 산소를 함유하는 산화제 가스를 공급하는 산화제 공급부, 상기 연료전지 발전부의 재기동 조건에서 상기 연료전지 발전부에 역전류를 공급하는 전력 공급원를 포함한다. 그리고, 연료전지 시스템은 상기 연료전지 발전부의 발전 정지된 조건에서 상기 연료전지 발전부로부터 검출되는 온도 정보가 저장되며, 상기 온도 정보에 따라 상기 연료전지 발전부에 역전류가 공급되게 상기 전력 공급원을 제어하는 제어기를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 상기 연료전지 발전부와 상기 전력 공급원 사이에 설치되면서, 상기 전력 공급원으로부터 공급되는 전력을 선택적으로 공급하거나 차단하는 제1 전력 개폐수단을 더 포함한다. 상기 제1 전력 개폐수단은 전기 회로를 접점 방식으로 개폐하는 스위치이다.
상기 전력 공급원은 배터리(battery) 또는 축전지(capacitor) 중 어느 하나이다. 또는 상기 전력 공급원은 상기 연료전지 발전부에서 전기화학반응에 의해 생성된 상기 전기 에너지를 승압시켜서 외부 부하로 전달하는 전력 변환기이다. 상기 전력 변환기는 상기 연료전지 발전부의 재기동 조건에서 상기 제어기의제어신호에 따라 전력의 진행방향을 변경하도록 작동된다.
상기 전력 공급원은 상기 연료전지 발전부가 전기화학반응에 의해 상기 전기 에너지를 발생시키는 조건에서 상기 전기 에너지를 변환하여 외부 부하로 전달하는 제1 전력 회로부, 및 상기 제1 전력 회로부와 병렬로 연결되면서 상기 연료전지 발전부가 발전 정지된 후에 재기동하는 조건에서 외부 전력을 상기 연료전지 발전부에 공급하는 제2 전력 회로부를 포함한다. 상기 제2 전력 회로부는 배터리 또는 축전지 중 어느 하나로부터 공급되는 외부 전력을 상기 연료전지 발전부에 공급한다.
상기 전력 공급원은 상기 전기 에너지를 선택적으로 공급하거나 차단하여 상기 제1 전력 회로부 방향의 전력 흐름을 제어하는 제2 전력 개폐수단, 및 상기 외부 전력을 선택적으로 공급하거나 차단하여 상기 제2 전력 회로부 방향의 전력 흐름을 제어하는 제3 전력 개폐수단을 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 방법은 연료전지 발전부가 발전 정지된 상태에서 상기 연료전지 발전부의 온도를 측정하여 기 설정된 온도 범위에 포함되는지를 검출하는 온도 검출 단계, 상기 연료전지 발전부가 재기동되는 조건에서 상기 연료전지 발전부의 온도 정보에 따라 상기 연료전지 발전부에 역전류를 공급하는 역전류 공급 단계, 및 상기 연료전지 발전부에 역전류의 공급을 중단하고서 상기 연료전지 발전부에서 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 발전 단계를 포함한다.
상기 온도 검출 단계는 상기 연료전지 발전부가 발전 정지된 상태에서 기 설정된 시간마다 주기적으로 상기 연료전지 발전부의 온도를 측정하고, 상기 연료전지 발전부의 온도 정보를 제어기에 저장한다.
상기 온도 검출 단계에서의 상기 온도 범위는 10℃ 미만이거나 60℃ 초과하는 조건이다.
상기 역전류 공급 단계는 상기 제어기가 상기 연료전지 발전부의 온도 정보를 판별하고서, 전력 공급원으로부터 상기 역전류를 상기 연료전지 발전부로 공급한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템 및 그 운전 방법은 연료전지 발전부의 재기동 과정에서 역전류를 인가함으로써, 연료전지 효율을 향상시킨다. 더욱이 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템 및 그 운전 방법은 온도가 극히 높거나 낮은 극한 환경에서 방치된 조건에서만 선택적으로 역전류를 인가하는 구성을 구비함으로써, 종래에 비해 추가적으로 전력이 소비되지 않아서 보다 경제적인 장 점이 있다.
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.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 연료전지 발전부(110)가 재기동하는 조건에서 연료전지 발전부(110)에 역전류를 공급하는 전력 공급원(140)을 구비한다. 특히, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 극히 온도가 높거나 낮은 극한 환경에 방치된 조건에서만 연료전지 발전부(110)에 역전류가 공급되도록 개선됨으로써, 연료전지 발전부(110)의 발전효율을 향상시키면서도 종래에 비해 전력 소비도 감소되는 특징이 있다.
연료전지 시스템(100)은 연료전지 발전부(110), 연료 공급부(120), 산화제 공급부(130)를 기본 구성요소로 구비한다.
연료전지 발전부(110)는 수소를 함유하는 연료와, 산소를 함유하는 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜서 전기 에너지를 생성한다. 연료전지 발전부(110)는 전기 에너지를 생성하는 최소 단위인 단위 셀들이 연속적으로 적층된 구 조로서, 일반적으로 연료전지 스택(Fuel Cell Stack)으로 지칭된다. 연료전지 발전부(110)는 다수 개의 단위 셀들이 연속적으로 배열된 집합체이며, 이런 집합체의 최 외측에 엔드 플레이트가 각각 결합된다.
연료 공급부(120)는 연료를 보관하는 연료 탱크, 및 이런 연료를 연료전지 발전부(110)로 공급하기 위한 펌프로 이루어진다. 이때, 연료 공급부(120)는 연료전지 발전부(110)의 연료 방식에 따라 연료를 개질반응시키는 개질기를 더 구비할 수도 있으며, 연료전지 발전부(110)에 연료를 직접 공급하는 구성일 수도 있다.
산화제 공급부(130)는 산화제 가스를 연료전지 발전부(110)에 공급하는 구성요소이다. 산화제 공급부(130)는 일반적으로 공기펌프를 이용하여, 산화제 가스로서 대기 중의 공기를 연료전지 발전부(110)로 공급한다.
이러한 연료전지 시스템(100)은 일정 기간 전기 에너지를 생성한 후에 발전 정지 상태로 방치된다. 하지만, 연료전지 시스템(100)은 직접 메탄올 연료전지와 같이 휴대용 발전장치라면, 온도가 극히 낮거나 높은 극한 환경에 방치될 가능성이 높다. 이로 인해, 연료전지 시스템(100)은 연료전지 발전부(110)의 재기동 과정에서 연료전지 발전부(110)에 연료와 산화제 가스가 공급되더라도, 연료전지 발전부(110)에서 전기화학반응이 원활하게 이뤄지지 않으면서 연료전지 발전 효율이 낮아지는 문제점이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 연료전지 시스템(100)은 연료전지 발전부(110)의 재기동 과정에서 연료전지 발전부(110)에 역전류를 공급하는 전력 공급원(140)을 구비한다.
전력 공급원(140)은 배터리(battery), 축전지(capacitor), 또는 다른 휴대용 전원기기로서, 기 설정된 용량의 전력을 공급한다.
제어기(150)는 연료전지 발전부(110)에 역전류가 공급되도록 전력 공급원(140)을 제어한다. 이때, 제어기(150)는 연료전지 발전부(110)의 발전 정지 상태에서 연료전지 발전부(110)를 비롯한 연료 공급부(120), 산화제 공급부(130)와 같은 구성요소들에 각각 부착된 온도 센서를 통해 측정되는 온도 정보가 전달되고, 이러한 온도 정보가 저장된다. 그리고, 제어기(150)는 이런 온도 정보에 따라 구성요소들이 온도가 낮거나 높은 극한 환경에 방치된 조건, 특히 연료전지 발전부(110)가 극한 환경에 방치된 조건에서 연료전지 발전부(110)에 역전류가 공급되도록 전력 공급원(140)을 제어한다.
제1 전력 개폐수단(160)은 연료전지 발전부(110)와 전력 공급원(140) 사이에 설치되어, 전력 공급원(140)으로부터 연료전지 발전부(110)로 공급되는 전력을 선택적으로 공급하거나 차단한다. 이러한 제1 전력 개폐수단(160)으로는 전기 회로를 접점 방식으로 개폐하는 스위치가 사용된다. 그러면, 제1 전력 개폐수단(160)은 연료전지 발전부(110)가 전력 발전 상태 및 발전 정지 상태에서 스위치 오프(off) 상태로 유지되고, 연료전지 발전부(110)가 재기동하는 상태에서 스위치 온(on) 상태로 전환된다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 도 1에 도시된 연료전지 시스템(100)과 동일하게 전력 공급원(240)을 구 비하지만, 이러한 전력 공급원(240)으로서 전력 변환기가 사용되는 특징이 있다.
연료전지 발전부(210)는 연료 공급부(220)로부터 수소를 함유하는 연료를 공급 받으며, 산화제 공급부(230)로부터 산소를 함유하는 산화제 가스를 공급 받는다. 그러면, 연료전지 발전부(210)는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기 에너지를 생성하고, 이러한 전기 에너지를 외부 부하(270)의 전원으로 사용되도록 공급한다. 연료전지 발전부(210)에서 생성된 전기 에너지는 일반적으로 직류 전력(DC) 상태로서 외부 부하(270)의 전원으로 사용될 수 있도록 기 설정된 값으로 승압되거나 교류 전력(AC)으로 변환된다. 이를 위해 연료전지 시스템(200)은 직류 전력(DC)을 기 설정된 값으로 승압시키는 컨버터(converter)로서 전력 변환기를 구비한다. 그리고, 연료전지 시스템(200)은 이와 같은 전력 변환기를 전력 공급원(240)으로 이용한다.
전력 공급원(240)은 연료전지 발전부(210)의 전력 발전 상태에서 외부 부하(270)에 전력이 공급되도록 제1 전력 진행 방향(261)을 유지한다. 그리고, 전력 공급원(240)은 연료전지 발전부(210)가 재기동하는 상태에서 제어기(250)의 제어신호에 따라 전력의 진행방향을 변경하여, 연료전지 발전부(210)에 외부 전력이 공급되게 제2 전력 진행 방향(262)을 유지한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템(300)은 연료전지 발전부(310)에서 생성된 전기 에너지를 변환하여 외부 부 하(370)에 전달하는 제1 전력 회로부(340)를 구비한다. 그리고, 연료전지 시스템(300)은 연료전지 발전부(310)가 발전 정지된 후에 재기동하는 조건에서 기 설정된 시간동안 연료전지 발전부(310)에 외부 전력을 역방향으로 공급하는 제2 전력 회로부(380)를 구비한다. 이와 같이 연료전지 시스템(300)은 연료전지 발전부(310)에서 생성된 전기 에너지를 외부 부하(370)로 전달하는 전력 변환 구성요소와, 연료전지 발전부(310)의 재기동 조건에서 외부 전력을 역방향으로 공급하는 전력 공급 구성요소를 각각 별도로 구비한 특징이 있다.
이를 자세하게 살펴보면, 연료전지 발전부(310)는 연료 공급부(320)로부터 수소를 함유하는 연료를 공급 받으며, 산화제 공급부(330)로부터 산소를 함유하는 산화제 가스를 공급 받는다. 그러면, 연료전지 발전부(310)는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜서 직류 전력(DC)을 생성한다. 제1 전력 회로부(340)는 이런 직류 전력(DC)을 기 설정된 값으로 승압되거나 교류 전력(AC)으로 변환하여, 외부 부하(270)의 전원으로 사용되도록 전달한다. 그리고, 제2 전력 회로부(380)는 제1 전력 회로부(340)와 병렬로 연결된다. 제2 전력 회로부(380)는 연료전지 발전부(310)가 발전 정지된 후에 재기동하는 조건에서 외부 전력을 연료전지 발전부(310)에 공급한다. 외부 전력은 배터리(390) 또는 축전지로부터 공급되며, 이런 배터리(390) 또는 축전지는 제2 전력 회로부(380)와 함께 제1 전력 회로부(340)에 병렬로 연결된다.
이와 같이 연료전지 시스템(300)에서의 전력 진행방향은 연료전지 발전부(310)가 전기 에너지를 생성하는 상태와, 연료전지 발전부(310)가 발전 정지된 후에 재기동하는 상태에서 각각 달라진다. 연료전지 시스템(300)은 이와 같이 전력 진행방향을 변환하기 위해서 전력 개폐수단들을 구비한다.
제2 전력 개폐수단(360, 361)은 연료전지 발전부(310)와 제1 전력 회로부(340) 사이, 제1 전력 회로부(340)와 외부 부하(370) 사이에 각각 설치된다. 제2 전력 개폐수단(360, 361)은 전기 회로를 접점 방식으로 개폐하는 스위치이다. 그러면, 제2 전력 개폐수단(360, 361)은 연료전지 발전부(310)가 전기 에너지를 생성하는 상태에서 스위치 온(on) 상태로 유지되고, 연료전지 발전부(310)가 발전 정지된 후에 재기동하는 상태에서 스위치 오프(off) 상태로 전환된다.
제3 전력 개폐수단(362)은 제1 전력 회로부(340)에 병렬로 연결되는 회로 라인에 설치되며, 제2 전력 회로부(380)의 전방 또는 후방에 설치될 수 있다. 제3 전력 개폐수단(362)도 전기 회로를 접점 방식으로 개폐하는 스위치이다. 그러면, 제3 전력 개폐수단(362)은 연료전지 발전부(310)가 전기 에너지를 생성하는 상태에서 스위치 오프(off) 상태로 유지되어, 제2 전력 회로부(380)로 전기 에너지가 진행하지 않도록 한다. 제3 전력 개폐수단(362)은 연료전지 발전부(310)가 발전 정지된 후에 재기동하는 상태에서 스위치 온(on) 상태로 전환되어, 배터리(390)와 같은 외부 전력이 제2 전력 회로부(380)를 통해 연료전지 발전부(310)에 상기와 달리 역방향으로 공급된다.
도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 연료전지 시스템의 운전 방법으로서 연료전지 시스템의 발전 정지 상태에서 각 단계별 작동관계를 나타낸 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 운전 방법은 연료전지 발전부 의 온도를 측정하여 기 설정된 온도 범위에 포함되는지를 검출하는 온도 검출 단계를 수행한다. 즉, 온도 검출 단계는 연료전지 발전부를 비롯한 연료전지 시스템이 발전 정지된 상태에서 기 설정된 시간마다 주기적으로 연료전지 발전부에 설치된 센서가 각각의 온도를 측정하고, 이러한 센서에서 측정된 연료전지 발전부의 온도 정보를 제어기에 저장한다. 특히, 온도 검출 단계에서의 온도 범위는 10℃ 미만이거나 60℃ 초과하는 조건으로 설정된다. 연료전지 시스템의 운전 방법은 연료전지 발전부의 온도가 10℃ 미만이거나 60℃ 초과하는 온도 범위를 만족할 때, 이러한 연료전지 발전부의 온도 정보를 제어기에 저장한다. 연료전지 발전부의 온도가 10℃ 미만인 경우에는 연료 또는 산화제 가스의 각 입자들이 활발하게 활동하지 못하거나 동결되어서, 전기화학반응을 유도하기 어렵기 때문이다. 반면, 연료전지 발전부의 온도가 60℃ 초과하는 경우에는 열화현상에 의해 발전성능이 저하된다.
도 5는 도 1 내지 도 3에 도시된 연료전지 시스템의 운전 방법으로서 연료전지 시스템의 재기동 상태에서 각 단계별 작동관계를 나타낸 흐름도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 운전 방법은 연료전지 발전부를 비롯한 연료전지 시스템이 재기동되는 조건에서 다음과 같이 작동된다. 연료전지 시스템의 운전 방법은 제어기에 저장된 연료전지 발전부의 온도 정보를 판별하여, 연료전지 발전부가 10℃ 미만이거나 60℃ 초과하는 극한 환경에 방치되었는지를 확인한다.
연료전지 발전부가 극한 환경에 방치되지 않았다면, 연료전지 발전부를 정상적으로 재가동한다. 반면, 연료전지 발전부가 극한 환경에 방치되었다면, 연료전지 발전부에 역전류를 공급하는 역전류 공급 단계가 실시된다. 역전류 공급 단계는 도 1에 도시된 바와 같이 배터리 또는 충전지와 같은 전력 공급원을 제어하여, 전력 공급원으로부터 연료전지 발전부에 역전류를 공급한다. 또는 역전류 공급 단계는 도 2에 도시된 바와 같이 전력 공급원으로서 전력 변환기의 전력 진행방향을 변경하여, 연료전지 발전부에 역전류를 공급할 수도 있다.
연료전지 시스템의 운전 방법은 기 설정된 시간동안 역전류를 공급한 후에 역전류의 공급을 중단한다. 그리고, 연료전지 시스템의 운전 방법은 연료전지 발전부에서 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 발전 단계를 수행함으로써, 연료전지 발전부를 재기동하는 과정에서 연료전지 효율이 신속하게 회복된다.
아래에서는 상기와 같은 연료전지 시스템의 운전 방법을 실시함으로써, 연료전지 발전부를 재기동하는 과정에서 연료전지 효율이 향상되었음을 실험을 통해 살펴보았다.
도 6은 제1 타입의 연료전지 시스템을 재기동하면서 연료전지 효율을 측정하여 나타낸 데이터 그래프이다.
도 6에 도시된 데이터 그래프는 직접 메탄올 연료전지 방식으로서 4mol 메탄올(CH3OH)을 연료로 이용하여, 0.45V의 셀전압을 갖는 연료전지 발전부에서 생성되는 전기 에너지를 측정한 실험결과이다. 제1 연료전지 조건은 연료전지 시스템이 -10℃에 방치되기 앞서 측정한 전류 밀도이고, 제2 연료전지 조건은 연료전지 시스 템이 -10℃로 방치된 후에 측정한 전류 밀도이고, 제3 연료전지 조건은 연료전지 시스템이 -10℃로 방치되었지만, 재기동 조건에서 역전류를 실시하여 측정한 전류 밀도이다. 제2 연료전지 조건의 전류 밀도는 제1 연료전지 조건의 전류 밀도에 비해 84% 정도 낮았으나, 제3 연료전지 조건의 전류 밀도는 제1 연료전지 조건의 전류 밀도에 비해 단지 9% 정도 저감될 뿐이었다.
도 7은 제2 타입의 연료전지 시스템을 재기동하면서 연료전지 효율을 측정하여 나타낸 데이터 그래프이다.
도 7에 도시된 데이터 그래프는 도 6에 도시된 데이터 그래프의 연료전지 발전부와 다른 연료전지 발전부의 타입을 적용하여, 연료전지 발전부에서 생성되는 전기 에너지를 측정한 실험결과이다. 제1 연료전지 조건은 연료전지 시스템이 -10℃에 방치되기 앞서 측정한 전류 밀도이고, 제2 연료전지 조건은 연료전지 시스템이 -10℃로 방치된 후에 측정한 전류 밀도이고, 제3 연료전지 조건은 연료전지 시스템이 -10℃로 방치되었지만, 재기동 조건에서 역전류를 실시하여 측정한 전류 밀도이다. 제2 연료전지 조건의 전류 밀도는 제1 연료전지 조건의 전류 밀도에 비해 대략 평균적으로 36% 정도 낮았다. 반면, 제3 연료전지 조건의 전류 밀도는 초기 몇 초의 짧은 시간에 급격히 상승하여, 제1 연료전지 조건의 전류 밀도에 비해 단지 3% 정도 저감된 값으로 유지되었다.
도 8은 제3 타입의 연료전지 시스템을 재기동하면서 연료전지 효율을 측정하여 나타낸 데이터 그래프이다.
도 8에 도시된 데이터 그래프는 연료전지 발전부를 재기동하는 조건에서 연 료전지 효율을 향상시키도록 다양한 방식을 적용한 실험결과이다. 이러한 실험은 직접 메탄올 연료전지 방식으로서 4mol 메탄올(CH3OH)을 연료로 이용하여, 연료전지 발전부에서 생성되는 전기 에너지를 측정하였다. 제1 연료전지 조건은 연료전지 시스템을 60℃로 방치하기에 앞서 측정한 전류 밀도이고, 제2 연료전지 조건은 연료전지 시스템을 60℃로 방치한 후에 측정한 전류 밀도이다. 제2 연료전지 조건의 전류 밀도는 제1 연료전지 조건의 전류 밀도에 비해 대략적으로 57% 정도 저감되어, 연료전지 효율이 매우 낮아졌다.
제3 연료전지 조건 내지 제8 연료전지 조건은 연료전지 시스템이 60℃로 방치된 후에 연료전지 효율을 회복시키기 위한 다양한 방식을 적용한 실험조건들이다. 제3 연료전지 조건은 캐소드 측에 10분간 공기 퍼징을 실시한 후에 전류 밀도를 측정하였다. 제4 연료전지 조건 및 제5 연료전지 조건은 연료전지 발전부에 애노드 측의 연료와 캐소드 측의 산화제 가스의 비율을 조절한 상태로 30분간 공급한 후에 전류 밀도를 각각 측정하였다. 제6 연료전지 조건 및 제7 연료전지 조건은 셀전압 스위핑(sweeping) 작업을 30분간 실시한 후에 전류 밀도를 각각 측정하였다. 제8 연료전지 조건은 애노드 측에 10분간 공기 퍼징을 실시한 후에 전류 밀도를 측정하였다. 하지만, 제3 연료전지 조건 내지 제8 연료전지 조건은 제2 연료전지 조건에 비해 전류 밀도가 향상되는 것으로 확인되었지만, 여전히 제1 연료전지 조건에 비해 전류 밀도가 매우 낮아서 연료전지 효율을 획기적으로 향상시키지는 못했다.
하지만, 제9 연료전지 조건은 연료전지 시스템을 60℃의 극한 환경에 방치하였지만, 재기동 조건에서 10초간 6.5A의 역전류를 실시하였다. 이로 인해 제9 연료전지 조건의 전류 밀도는 제1 연료전지 조건의 전류 밀도와 거의 유사하거나, 오히려 1% 정도 향상되었다.
즉, 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.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 연료전지 시스템의 운전 방법으로서 연료전지 시스템의 발전 정지 상태에서 각 단계별 작동관계를 나타낸 흐름도이다.
도 5는 도 1 내지 도 3에 도시된 연료전지 시스템의 운전 방법으로서 연료전지 시스템의 재기동 상태에서 각 단계별 작동관계를 나타낸 흐름도이다.
도 6은 제1 타입의 연료전지 시스템을 재기동하면서 연료전지 효율을 측정하여 나타낸 데이터 그래프이다.
도 7은 제2 타입의 연료전지 시스템을 재기동하면서 연료전지 효율을 측정하여 나타낸 데이터 그래프이다.
도 8은 제3 타입의 연료전지 시스템을 재기동하면서 연료전지 효율을 측정하여 나타낸 데이터 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200, 300 : 연료전지 시스템 110, 210, 310 : 연료전지 발전부
120, 220, 320 : 연료 공급부 130, 230, 330 : 산화제 공급부
140, 240 : 전력 공급원 150, 250 : 제어기
170, 370 : 외부 부하 340 : 제1 전력 회로부
380 : 제2 전력 회로부

Claims (14)

  1. 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 발전부;
    상기 연료전지 발전부에 수소를 함유하는 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 연료전지 발전부에 산소를 함유하는 산화제 가스를 공급하는 산화제 공급부;
    상기 연료전지 발전부의 재기동 조건에서 상기 연료전지 발전부에 역전류를 공급하는 전력 공급원; 및
    상기 연료전지 발전부의 발전 정지된 조건에서 상기 연료전지 발전부로부터 검출되는 온도 정보가 저장되며, 상기 온도 정보에 따라 상기 연료전지 발전부에 역전류가 공급되게 상기 전력 공급원을 제어하는 제어기;를 포함하고,
    상기 전력 공급원은 상기 연료전지 발전부가 전기화학반응에 의해 상기 전기 에너지를 발생시키는 조건에서 상기 전기 에너지를 변환하여 외부 부하로 전달하는 제1 전력 회로부; 및 상기 제1 전력 회로부와 병렬로 연결되면서 상기 연료전지 발전부가 발전 정지된 후에 재기동하는 조건에서 외부 전력을 상기 연료전지 발전부에 공급하는 제2 전력 회로부;를 포함하는, 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 발전부와 상기 전력 공급원 사이에 설치되면서, 상기 전력 공급원으로부터 공급되는 전력을 선택적으로 공급하거나 차단하는 제1 전력 개폐수단;을 더 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 전력 개폐수단은 전기 회로를 접점 방식으로 개폐하는 스위치인 연료전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 공급원은 배터리(battery) 또는 축전지(capacitor) 중 어느 하나인 연료전지 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전력 회로부는 배터리 또는 축전지 중 어느 하나로부터 공급되는 외부 전력을 상기 연료전지 발전부에 공급하는 연료전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 공급원은 상기 전기 에너지를 선택적으로 공급하거나 차단하여 상기 제1 전력 회로부 방향의 전력 흐름을 제어하는 제2 전력 개폐수단; 및 상기 외부 전력을 선택적으로 공급하거나 차단하여 상기 제2 전력 회로부 방향의 전력 흐름을 제어하는 제3 전력 개폐수단;을 더 포함하는 연료전지 시스템.
  9. 연료전지 발전부가 발전 정지된 상태에서 상기 연료전지 발전부의 온도를 측정하여 기 설정된 온도 범위에 포함되는지를 검출하는 온도 검출 단계;
    상기 연료전지 발전부가 재기동되는 조건에서 상기 연료전지 발전부의 온도 정보에 따라 상기 연료전지 발전부에 역전류를 공급하는 역전류 공급 단계; 및
    상기 연료전지 발전부에 역전류의 공급을 중단하고서 상기 연료전지 발전부에서 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 발전 단계;를 포함하고,
    상기 온도 검출 단계는 상기 연료전지 발전부가 발전 정지된 상태에서 기 설정된 시간마다 주기적으로 상기 연료전지 발전부의 온도를 측정하고, 상기 연료전지 발전부의 온도 정보를 제어기에 저장하고,
    상기 역전류 공급 단계는 상기 제어기의 제어 신호에 따라, 상기 연료전지 발전부에서 전기화학반응에 의해 생성된 상기 전기 에너지를 승압시켜서 외부 부하로 전달하는 전력 공급원의 전력 진행방향을 변경하는, 연료전지 시스템의 운전 방법.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료전지 발전부에 역전류를 공급하기 위한 조건은 상기 온도 검출 단계에서의 상기 온도 범위가 10℃ 미만이거나 60℃ 초과하는 조건인 연료전지 시스템의 운전 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 역전류 공급 단계는 상기 제어기가 상기 연료전지 발전부의 온도 정보를 판별하고서, 상기 전력 공급원으로부터 상기 역전류를 상기 연료전지 발전부로 공급하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전력 공급원은 배터리 또는 충전지 중 어느 하나인 연료전지 시스템의 운전 방법.
  14. 삭제
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