KR101308304B1 - Method for operating fuel cell system usable for an emergency generation set - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 비상 발전 가능한 연료전지 시스템에 있어서, 연료를 공급받아 수소 가스를 생산하는 개질기와, 상기 연료전지 시스템의 비상 발전 운전이 종료되면, 상기 개질기에서 생산된 상기 수소 가스를 유입하여 저장하는 수소 저장 탱크와, 상기 연료전지 시스템의 비상 발전 운전 중 정상 운전 시에는 상기 개질기에서 생산된 수소 가스를 공급받고, 상기 연료전지 시스템의 비상 발전 운전 중 기동 운전 시에는 상기 수소 저장 탱크에 저장된 수소 가스를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 스택을 포함하는 비상 발전 가능한 연료전지 시스템을 제공한다.
따라서, 상기 비상 발전 운전 시, 상기 개질기가 워밍업 상태에 있더라도 상기 수소 저장 탱크 내의 수소 가스가 상기 연료전지 스택에 직접 공급되어, 상기 연료전지 스택에서 전기가 생산되므로, 빠른 시간 내에 수요처에 비상 전원을 공급할 수 있다. 더욱이, 상기 개질기의 워밍업이 종료되어 상기 정상 운전 상태에 돌입하면, 상기 개질기로부터 지속적으로 상기 연료전지 스택에 수소 가스가 공급될 수 있으므로, 오랜 시간 비상 전원을 수요처에 공급할 수 있다. 이 뿐만 아니라, 상기 연료전지 스택이 PEMFC 구조를 가질 경우, 전체적인 크기도 작고 운전 온도도 낮기 때문에, 일반 건물에도 용이하게 설치될 수 있다.In the fuel cell system capable of emergency power generation, a reformer for supplying fuel to produce hydrogen gas, and when the emergency power generation operation of the fuel cell system ends, injecting and storing the hydrogen gas produced in the reformer The hydrogen storage tank and the hydrogen gas produced by the reformer are supplied during the normal operation during the emergency power generation operation of the fuel cell system, and the hydrogen gas stored in the hydrogen storage tank during the startup operation during the emergency power generation operation of the fuel cell system. It provides a fuel cell system capable of emergency power generation, including a fuel cell stack that is supplied with electricity to produce electricity.
Therefore, during the emergency power generation operation, even if the reformer is in the warm-up state, hydrogen gas in the hydrogen storage tank is directly supplied to the fuel cell stack, so that electricity is produced from the fuel cell stack. Can supply Furthermore, when the reformer warms up and enters the normal operating state, hydrogen gas may be continuously supplied from the reformer to the fuel cell stack, so that emergency power can be supplied to the customer for a long time. In addition, when the fuel cell stack has a PEMFC structure, since the overall size is small and the operating temperature is low, the fuel cell stack may be easily installed in a general building.

Description

비상 발전이 가능한 연료전지 시스템의 운전방법 {Method for operating fuel cell system usable for an emergency generation set}Operation method of fuel cell system capable of emergency power generation {Method for operating fuel cell system usable for an emergency generation set}

본 발명은 비상 발전이 가능한 연료전지 시스템의 운전방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비상 발전 기동 시간이 짧을 뿐만 아니라 비상 운전 지속 시간이 긴 비상 발전이 가능한 연료전지 시스템의 운전방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of operating a fuel cell system capable of emergency power generation, and more particularly, to a method of operating a fuel cell system capable of emergency power generation having a short emergency start time and a long duration of emergency operation.

연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치이다. 연료전지에서는 일반적으로 전해질 막을 중심으로 양쪽에 연료극과 공기극을 설치하고, 상기 연료극에는 연료를 공급하고 상기 공기극에는 공기를 공급하여, 산화 환원 반응에 의하여 전기에너지를 생산한다.A fuel cell is a device that converts energy contained in fuel into electrical energy. In a fuel cell, a fuel electrode and an air electrode are generally provided on both sides of an electrolyte membrane, fuel is supplied to the fuel electrode, and air is supplied to the air electrode, thereby producing electrical energy by a redox reaction.

상기 연료전지는 일반적으로 크기가 크기 때문에, 상용 전기를 생산하는데 이용된다. 하지만, 최근 들어, 상기 연료전지에 대한 기술 개발이 활발하게 수행됨에 따라, 스택 등의 구성요소의 크기가 크게 축소되고 있다. 따라서, 상기 연료전지를 기존의 크기가 큰 디젤 비상 발전기 대신에 비상 발전기로 대체될 수 있는 가능성이 열리고 있다.Since the fuel cell is generally large in size, it is used to produce commercial electricity. However, in recent years, as the development of technology for the fuel cell is actively performed, the size of components such as stacks is greatly reduced. Thus, the possibility of replacing the fuel cell with an emergency generator instead of a large diesel emergency generator is being opened.

미국 공개특허 US 2010/0021778호에는 연료전지를 비상발전기로 이용하는 기술이 개시되어 있다. 하지만, 여기서는 연료로서 저장탱크 내에 저장된 수소만을 이용하기 때문에, 오랜 시간 비상 발전을 수행할 수 없을 뿐만 아니라, 상기 연료전지가 상용 전원으로서 사용될 수 없는 단점이 있다.US Patent Publication No. 2010/0021778 discloses a technique using a fuel cell as an emergency generator. However, since only hydrogen stored in the storage tank is used as fuel here, not only can it not perform a long time emergency power generation, but also there is a disadvantage that the fuel cell cannot be used as a commercial power source.

본 발명은 비상 발전 기동 시간이 짧을 뿐만 아니라 비상 운전 지속 시간이 긴 비상 발전이 가능한 연료전지 시스템의 운전방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method of operating a fuel cell system capable of short-circuit emergency power generation as well as long-term emergency operation.

본 발명은, 비상 발전 가능한 연료전지 시스템에 있어서, 연료를 공급받아 수소 가스를 생산하는 개질기와, 상기 연료전지 시스템의 비상 발전 운전이 종료되면, 상기 개질기에서 생산된 상기 수소 가스를 유입하여 저장하는 수소 저장 탱크와, 상기 연료전지 시스템의 비상 발전 운전 중 정상 운전 시에는 상기 개질기에서 생산된 수소 가스를 공급받고, 상기 연료전지 시스템의 비상 발전 운전 중 기동 운전 시에는 상기 수소 저장 탱크에 저장된 수소 가스를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 스택을 포함하는 비상 발전 가능한 연료전지 시스템을 제공한다.In the fuel cell system capable of emergency power generation, a reformer for supplying fuel to produce hydrogen gas, and when the emergency power generation operation of the fuel cell system ends, injecting and storing the hydrogen gas produced in the reformer The hydrogen storage tank and the hydrogen gas produced by the reformer are supplied during the normal operation during the emergency power generation operation of the fuel cell system, and the hydrogen gas stored in the hydrogen storage tank during the startup operation during the emergency power generation operation of the fuel cell system. It provides a fuel cell system capable of emergency power generation, including a fuel cell stack that is supplied with electricity to produce electricity.

본 발명의 연료전지 시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.The fuel cell system of the present invention has the following effects.

첫째, 비상 발전 운전 시, 개질기가 워밍업 상태에 있더라도 수소 저장 탱크 내의 수소 가스가 연료전지 스택에 직접 공급되어, 상기 연료전지 스택에서 전기가 생산되므로, 빠른 시간 내에 수요처에 비상 전원을 공급할 수 있다.First, during the emergency power generation operation, even when the reformer is in the warm-up state, hydrogen gas in the hydrogen storage tank is directly supplied to the fuel cell stack, so that electricity is produced from the fuel cell stack, so that emergency power can be supplied to the demanding place quickly.

둘째, 개질기의 워밍업이 종료되어 정상 운전 상태에 돌입하면, 상기 개질기로부터 지속적으로 연료전지 스택에 수소 가스가 공급될 수 있으므로, 오랜 시간 비상 전원을 수요처에 공급할 수 있다.Second, when the reformer warms up and enters a normal operating state, hydrogen gas may be continuously supplied to the fuel cell stack from the reformer, so that emergency power can be supplied to the customer for a long time.

셋째, 상기 연료전지 스택이 PEMFC 구조를 가질 경우, 전체적인 크기도 작고 운전 온도도 낮기 때문에, 일반 건물에도 용이하게 설치될 수 있다.Third, when the fuel cell stack has a PEMFC structure, since the overall size is small and the operating temperature is low, the fuel cell stack may be easily installed in a general building.

도 1은 중간기에 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)이 비상 발전기로 기능 설정이 된 상태이지만 비상 발전 운전을 수행하지 않는 상황에서, 유체 유동 및 전기의 이동 상태를 보여준다.
도 2는 도 1의 연료전지 시스템이 중간기에 비상 발전기로서 기동이 요청되어 기동 운전 중인 상태를 나타낸다.
도 3은 도 1의 연료전지 시스템이 중간기에 비상 발전 운전 중 정상 운전 중인 상태를 나타낸다.
도 4는 도 1의 연료전지 시스템이 중간기에 비상 발전 운전의 종료 요청을 받은 상태를 나타낸다.
도 5는 도 1의 연료전지 시스템이 하절기 또는 동절기에 상용 운전 중인 상태를 나타낸다. 1 illustrates a state of fluid flow and electricity in a state in which a fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention is set as a function of an emergency generator but does not perform an emergency power generation operation.
FIG. 2 illustrates a state in which the fuel cell system of FIG. 1 is being started by being requested to start as an emergency generator in an intermediate stage.
3 is a view illustrating a state in which the fuel cell system of FIG. 1 is in normal operation during an emergency power generation operation in an intermediate stage.
4 illustrates a state in which the fuel cell system of FIG. 1 receives a request for terminating an emergency power generation operation in an intermediate period.
5 illustrates a state in which the fuel cell system of FIG. 1 is in commercial operation in summer or winter.

도 1 내지 도 5에 본 발명의 일 실시예에 따른 비상 발전 가능한 연료전지 시스템(이하, "연료전지 시스템"이라 함)(100)이 도시되어 있다. 도 1 내지 도 2를 참조하면, 상기 연료전지 시스템(100)은 하절기 및 동절기에는 상용으로 이용되고, 중간기에는 비상 발전용으로 이용된다. 연중 계절별 운전 특성에 대하여는 후술하도록 한다. 다만, 상기 연료전지 시스템(100)이 연중 비상 발전용으로 이용될 수 있음은 물론이다.1 to 5 are shown an emergency power generation fuel cell system (hereinafter referred to as "fuel cell system") 100 according to an embodiment of the present invention. 1 to 2, the fuel cell system 100 is used commercially in the summer and winter, and is used for emergency power generation in the middle. The seasonal operating characteristics of the year will be described later. However, of course, the fuel cell system 100 may be used for emergency power generation throughout the year.

상기 연료전지 시스템(100)은, 개질기(110), 수소 저장 탱크(120), 수소 가스 압축기(170), 연료전지 스택(130), 교류 변환기(150) 및 전원 스위치(160)를 포함한다. 상기 개질기(110)는 연료를 공급받아 수소 가스를 생산한다. 상기 연료전지 스택(130)은 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 구조를 가진다. PEMFC는 구조가 컴팩트하며, 기동 특성이 우수하고, 스택의 온도가 60℃~100℃로서 일반적인 건물에 적용하기 적합한 특성을 가진다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.The fuel cell system 100 includes a reformer 110, a hydrogen storage tank 120, a hydrogen gas compressor 170, a fuel cell stack 130, an AC converter 150, and a power switch 160. The reformer 110 receives fuel to produce hydrogen gas. The fuel cell stack 130 has a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) structure. PEMFC is compact in structure, excellent in maneuverability, and has a stack temperature of 60 ° C to 100 ° C, which is suitable for general buildings. However, the present invention is not limited thereto.

상기 연료전지 스택(130)은, 수소 가스가 공급되어 반응하는 연료극(131)과 공기가 공급되어 반응하는 공기극(132)을 포함한다. 상기 연료전지 스택(130)의 구조는 당업자 수준에서 일반적인 바, 상세한 설명은 생략한다.The fuel cell stack 130 includes a fuel electrode 131 that reacts with hydrogen gas and a cathode 132 that reacts with air. The structure of the fuel cell stack 130 is general at the level of those skilled in the art, and a detailed description thereof will be omitted.

상기 개질기(110)로 공급되는 연료로는 다양한 물질이 이용될 수 있다. 다만, 국내에서는 대부분의 도시에 도시가스가 공급되어 있는 바, 상기 연료로서 도시가스가 이용되면 별도의 연료저장 탱크를 설치할 필요가 없다. 상기 도시가스의 공급원과 상기 개질기(110)의 유입구 사이에는 도시가스 유량제어밸브(155)가 설치되어 있다.Various materials may be used as the fuel supplied to the reformer 110. However, since the city gas is supplied to most cities in Korea, it is not necessary to install a separate fuel storage tank when the city gas is used as the fuel. A city gas flow control valve 155 is installed between the city gas supply source and the inlet of the reformer 110.

상기 개질기(110)에서 생산되는 수소 가스는 수소 가스 유로(171)를 통하여, 상기 연료극(131)으로 공급된다. 상기 수소 가스 유로(171) 상에는 제1유로 개폐 밸브(151)가 설치되어, 상기 수소 가스 유로(171)를 개폐한다. 수소 가스 바이패스 유로(172)는, 상기 개질기(110)에서 생산된 수소 가스가 상기 제1유로 개폐 밸브(151)를 바이패스하도록 양 단이 상기 수소 가스 유로(171)에 연결되어 있다.Hydrogen gas produced by the reformer 110 is supplied to the fuel electrode 131 through a hydrogen gas flow path 171. A first flow path open / close valve 151 is provided on the hydrogen gas flow path 171 to open and close the hydrogen gas flow path 171. The hydrogen gas bypass flow path 172 is connected to both ends of the hydrogen gas flow path 171 so that the hydrogen gas produced by the reformer 110 bypasses the first flow path opening / closing valve 151.

상기 수소 저장 탱크(120)는 상기 수소 가스 바이패스 유로(172) 상에 설치되어 있다. 상기 수소 저장 탱크(120)는 상기 개질기(110)에서 생산된 상기 수소 가스를 유입하여 저장한다. 수소 가스 압축기(170)가 상기 수소 저장 탱크(120)로 저장되는 수소 가스를 가압하도록 상기 수소 가스 바이패스 유로(172) 상에 설치된다. The hydrogen storage tank 120 is provided on the hydrogen gas bypass flow path 172. The hydrogen storage tank 120 inflows and stores the hydrogen gas produced by the reformer 110. A hydrogen gas compressor 170 is installed on the hydrogen gas bypass flow path 172 to pressurize the hydrogen gas stored in the hydrogen storage tank 120.

상기 수소 가스 바이패스 유로(172) 상에서, 상기 수소 가스 압축기(180)의 입구에 제2유로 개폐 밸브(152)가 설치되어 있고, 상기 수소 저장 탱크(120)의 출구에 제3유로 개폐 밸브(153)가 설치되어 있다. 상기 제2유로 개폐 밸브(152)는 상기 개질기(110)에 생산된 수소 가스가 상기 수소 저장 탱크(120)로 유입되게 하거나 차단하는 작용을 한다. 상기 제3유로 개폐 밸브(153)는 상기 수소 저장 탱크(120) 내의 수소 가스가 상기 연료극(131)으로 공급되게 하거나 차단하는 작용을 한다.On the hydrogen gas bypass flow path 172, a second flow path open / close valve 152 is provided at an inlet of the hydrogen gas compressor 180, and a third flow path open / close valve is formed at an outlet of the hydrogen storage tank 120. 153 is provided. The second flow path open / close valve 152 serves to block or block the hydrogen gas produced in the reformer 110 into the hydrogen storage tank 120. The third flow path opening / closing valve 153 serves to block or block the hydrogen gas in the hydrogen storage tank 120 to the fuel electrode 131.

재순환 유로(173)는 양단이 상기 개질기(110)의 입구 및 출구에 각각 연결되어, 상기 개질기(110)에서 생산된 상기 수소 가스를 상기 개질기(110)로 재순환시키는 유로를 형성한다. 제4유로 개폐 밸브(154)가 상기 재순환 유로(154) 상에 설치되어, 상기 재순환을 가능하게 하거나 차단하는 기능을 수행한다.Both ends of the recirculation flow path 173 are connected to the inlet and the outlet of the reformer 110 to form a flow path for recycling the hydrogen gas produced in the reformer 110 to the reformer 110. A fourth flow path open / close valve 154 is installed on the recirculation flow path 154 to perform a function of enabling or blocking the recirculation.

상기 연료극(131)으로 공급된 수소 가스 중에서 일부는 상기 연료극(131)에서 반응하지 못한 상태로 배출된다. 상기 배출된 수소 가스는 상기 공기극(132)에서 생성되어 이동된 물이 포함되어 있기 때문에, 응축수 트랩(140)에서 물을 제거한 후, 다시 상기 연료극(131)으로 재유입된다.Some of the hydrogen gas supplied to the fuel electrode 131 is discharged in a state in which the fuel electrode 131 does not react. Since the discharged hydrogen gas includes water generated and moved in the air electrode 132, water is removed from the condensate trap 140 and then reintroduced into the fuel electrode 131.

상기 연료전지 스택(130)이 작동을 하면서, 상기 연료전지 스택(130)으로부터 열이 발생된다. 상기 열은 대기 중으로 방출될 수도 있지만, 본 실시예에서 상시 열은 상기 개질기(110)를 기동시키는데 이용된다. 상기 개질기(110)가 기동을 하기 위해서는 전체적인 온도가 상승되어야 한다. 상기 연료전지 스택(130)에서 발생된 열이 냉각수로 회수된 후, 상기 개질기(110)로 유입되어 상기 개질기(110)에서 이용될 수 있다. 물론, 상기 냉각수는 외부로 배출될 수도 있고, 상기 연료전지 스택(130)으로 재순환될 수 있다. 상기 개질기(110)의 기동시간이 감소되기 때문에, 상기 수소 저장 탱크(120)에 저장되는 수소 가스의 양이 감소될 수 있기 때문에, 상기 수소 저장 탱크(120)의 크기가 감소될 수 있는 효과가 있다. 더욱이, 상기 연료전지 스택(130)에서 발생되는 열을 회수하여 이용하기 때문에, 전체적인 에너지 이용 효율이 향상된다. 상기에서는, 상기 연료전지 스택(130)의 발생열을 상기 개질기(110)의 기동에 이용되는 것으로 설명하고 있지만, 상기 개질기(110)의 정상 운전에도 이용될 수 있으며, 난방 등의 다양한 용도로 이용될 수도 있다.
While the fuel cell stack 130 is operating, heat is generated from the fuel cell stack 130. The heat may be released to the atmosphere, but in this embodiment the constant heat is used to start the reformer 110. In order for the reformer 110 to start, the overall temperature must be increased. After the heat generated by the fuel cell stack 130 is recovered as cooling water, the heat may be introduced into the reformer 110 and used in the reformer 110. Of course, the cooling water may be discharged to the outside, and may be recycled to the fuel cell stack 130. Since the start-up time of the reformer 110 is reduced, since the amount of hydrogen gas stored in the hydrogen storage tank 120 may be reduced, the size of the hydrogen storage tank 120 may be reduced. have. Furthermore, since the heat generated from the fuel cell stack 130 is recovered and used, the overall energy use efficiency is improved. In the above, the heat generated from the fuel cell stack 130 is described as being used to start the reformer 110, but may be used for normal operation of the reformer 110, and may be used for various purposes such as heating. It may be.

상기 연료전지 스택(130)에서는 직류 전원이 생성된다. 다만, 일반적으로 건물(10)에서는 교류 전원이 필요한 바, 상기 교류 변환기(150)가 상기 연료전지 스택(130)에서 생산된 직류 전원을 교류 전원으로 변환한다.In the fuel cell stack 130, direct current power is generated. However, in general, the building 10 requires an AC power source, and the AC converter 150 converts the DC power produced by the fuel cell stack 130 into AC power.

상기 건물(10)은 한전 등의 외부전원으로부터 교류 전원을 상시 공급받는다. 상기 전원 스위치(160)는 상기 교류 변환기로(150)부터 공급되는 교류 전원과 상기 외부전원으로부터의 교류 전원을 선택적 또는 동시적으로 상기 건물(10)에 공급되도록 한다.
The building 10 is always supplied with AC power from an external power source such as KEPCO. The power switch 160 allows AC power supplied from the AC converter path 150 and AC power from the external power to be selectively or simultaneously supplied to the building 10.

이하, 상기 연료전지 시스템(100)의 작동을 상세하게 살펴본다.Hereinafter, the operation of the fuel cell system 100 will be described in detail.

도 1은 중간기에 상기 연료전지 시스템(100)이 비상 발전기로 기능 설정이 된 상태이지만 비상 발전 운전을 수행하지 않는 상황에서, 유체 유동 및 전기의 이동 상태를 보여준다.1 illustrates a state of fluid flow and electricity in a state in which the fuel cell system 100 is set to function as an emergency generator but does not perform emergency power generation operation in an intermediate stage.

상기 건물(10)은 상기 외부전원으로부터 전기를 공급받고 있는 상태이다. 상기 도시가스 유량제어밸브(155)가 폐쇄되어 있으므로, 상기 연료전지 스택(110)에서 전기가 생산되지 않는다. 즉, 상기 연료전지 시스템(100)은 비상 발전기로서 대기하고 있는 상황이다.
The building 10 is in a state of receiving electricity from the external power source. Since the city gas flow control valve 155 is closed, electricity is not produced in the fuel cell stack 110. That is, the fuel cell system 100 is in a situation of waiting as an emergency generator.

도 2는 중간기에 상기 연료전지 시스템(100)이 비상 발전기로서 기동이 요청되어 기동 운전 중인 상태를 나타낸다. 상기 도시가스 유량제어밸브(155)가 개방되어 도시가스가 상기 개질기(110)로 유입된다. 상기 개질기(110)로 상기 도시가스가 유입되더라도 상기 개질기(110)가 정상 작동을 하기까지에는 시간이 필요하다. 따라서, 상기 개질기(110)에서 생산되는 수소 가스의 순도가 설정 값 이하이다. 상기 제1유로 개폐 밸브(151) 및 상기 제2유로 개폐 밸브(152)는 폐쇄되고, 상기 제3유로 개폐 밸브(153) 및 상기 제4유로 개폐 밸브(154)가 개방된다. 따라서, 상기 개질기(110)에서 유출되는 수소 가스는 상기 재순환 유로(154)를 통하여 상기 개질기(110)로 재순환된다.FIG. 2 illustrates a state in which the fuel cell system 100 is started as an emergency generator and is being operated. The city gas flow control valve 155 is opened so that city gas flows into the reformer 110. Even if the city gas flows into the reformer 110, it takes time for the reformer 110 to operate normally. Therefore, the purity of the hydrogen gas produced by the reformer 110 is less than or equal to a set value. The first flow path open / close valve 151 and the second flow path open / close valve 152 are closed, and the third flow path open / close valve 153 and the fourth flow path open / close valve 154 are opened. Therefore, the hydrogen gas flowing out of the reformer 110 is recycled to the reformer 110 through the recirculation flow path 154.

상기 수소 저장 탱크(120)에 저장된 수소 가스는 순도가 설정값 이상이기 때문에, 상기 연료극(131)으로 직접 공급될 수 있다. 따라서, 상기 개질기(110)가 정상 운전 상태에 도달하기 전에도 상기 연료전지 스택(130)에서 전기를 생산할 수 있다. 상기 연료 전기 스택(130)에서 생산된 전기는 상기 교류 변환기(150)에서 교류 전원으로 변환된 후, 상기 건물(10)에 비상 전원으로서 공급된다. 더욱이, 상기 연료전지 스택(130)이 작동을 하면서 발생된 열이 상기 개질기(110)로 공급되어 이용되어, 상기 개질기(110)의 기동 시간을 단축시키는 효과가 있다.
Since the hydrogen gas stored in the hydrogen storage tank 120 has a purity higher than a set value, it may be directly supplied to the fuel electrode 131. Accordingly, the fuel cell stack 130 may generate electricity even before the reformer 110 reaches a normal operation state. The electricity produced in the fuel electric stack 130 is converted into alternating current power in the alternator 150 and then supplied as emergency power to the building 10. In addition, heat generated while the fuel cell stack 130 is operating is supplied to the reformer 110 to be used, thereby reducing the startup time of the reformer 110.

상기와 같이, 상기 연료전지 시스템(110)이 매우 짧은 시간 이내에 상기 건물(10)에 비상 전원을 공급할 수 있기 때문에, 상기 연료전지 시스템(100)이 비상전원으로서 충분한 기능을 수행할 수 있다.
As described above, since the fuel cell system 110 may supply emergency power to the building 10 within a very short time, the fuel cell system 100 may perform a sufficient function as emergency power.

도 3은 중간기에 상기 연료전지 시스템(100)이 비상 발전 운전 중 정상 운전 중인 상태를 나타낸다. 상기 개질기(110)로부터 생산되는 수소 가스의 순도가 상기 설정값 이상이다. 상기 제1유로 개폐 밸브(151)는 개방되고, 상기 제2유로 개폐 밸브(152), 상기 제3유로 개폐 밸브(153) 및 상기 제4유로 개폐 밸브(154)가 폐쇄된다. 따라서, 상기 개질기(110)에서 생산된 수소 가스가 상기 수소 가스 유로(171)를 통하여 상기 연료극(131)에 직접 공급된다. 이와 더불어, 상기 수소 저장 탱크(120) 내의 수소 가스가 상기 연료극(131)으로 유입되는 것은 차단된다.3 illustrates a state in which the fuel cell system 100 is operating normally during an emergency power generation operation. The purity of the hydrogen gas produced from the reformer 110 is above the set value. The first flow path open / close valve 151 is opened, and the second flow path open / close valve 152, the third flow path open / close valve 153, and the fourth flow path open / close valve 154 are closed. Accordingly, hydrogen gas produced by the reformer 110 is directly supplied to the fuel electrode 131 through the hydrogen gas flow path 171. In addition, the introduction of hydrogen gas into the fuel electrode 131 in the hydrogen storage tank 120 is blocked.

상기 개질기(110)로부터 안정적으로 상기 연료극(131)으로 수소 가스가 공급되기 때문에, 상기 연료전지 스택(130)은 연속적으로 전기를 생산할 수 있다. 따라서, 상기 외부전원의 정전이 장기간 계속되더라도, 상기 건물(10)에 안정적으로 전원이 공급될 수 있다.
Since hydrogen gas is stably supplied from the reformer 110 to the anode 131, the fuel cell stack 130 may continuously generate electricity. Therefore, even if the power outage of the external power continues for a long time, the power can be stably supplied to the building 10.

도 4는 중간기에 상기 연료전지 시스템(100)의 비상 발전 운전의 종료 요청을 받은 상태를 나타낸다. 상기 외부전원이 다시 건물(10)에 공급되면, 상기 연료전지 시스템(100)은 비상 발전 운전을 종료하게 된다. 이 때, 상기 연료전지 스택(130)의 운전이 정지하더라도, 상기 개질기(110)는 상기 수소 저장 탱크(120)에 수소 가스를 저장하기 위하여 소정 시간 운전을 수행한다. 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.4 illustrates a state in which a request for terminating the emergency power generation operation of the fuel cell system 100 is received in the intermediate period. When the external power is supplied to the building 10 again, the fuel cell system 100 ends the emergency power generation operation. At this time, even if the operation of the fuel cell stack 130 is stopped, the reformer 110 performs a predetermined time operation to store the hydrogen gas in the hydrogen storage tank 120. This will be described in more detail as follows.

먼저, 상기 전원스위치(160)는 상기 연료전지 시스템(100)과 상기 건물(10) 사이의 연결을 차단한다. 상기 제1유로 개폐 밸브(151) 및 상기 제2유로 개폐 밸브(152)는 폐쇄되고, 상기 제3유로 개폐 밸브(153) 및 상기 제4유로 개폐 밸브(154)가 개방된다. 상기 개질기(110)에서 생산되는 수소 가스는 상기 수소 가스 바이패스 유로(172)로 유입된 후, 상기 수소 가스 압축기(180)에 의하여 상기 수소 저장 탱크(120)에 가압되어 저장된다. 상기 수소 저장 탱크(120) 내의 수소 가스는 상기 연료전지 시스템(100)의 기동 운전 시에도 상기 연료전지 스택(130)에서 전기가 생산될 수 있게 한다. 상기 수소 저장 탱크(120)의 압력이 설정 압력이 되면, 상기 도시가스 유량제어밸브(155) 및 상기 제2유로 개폐 밸브(152)가 폐쇄되고, 상기 수소 가스 압축기(180)의 작동이 중지된다.
First, the power switch 160 cuts off the connection between the fuel cell system 100 and the building 10. The first flow path open / close valve 151 and the second flow path open / close valve 152 are closed, and the third flow path open / close valve 153 and the fourth flow path open / close valve 154 are opened. After the hydrogen gas produced by the reformer 110 flows into the hydrogen gas bypass flow path 172, the hydrogen gas is pressurized and stored in the hydrogen storage tank 120 by the hydrogen gas compressor 180. The hydrogen gas in the hydrogen storage tank 120 allows electricity to be produced in the fuel cell stack 130 even during the startup operation of the fuel cell system 100. When the pressure of the hydrogen storage tank 120 is a set pressure, the city gas flow control valve 155 and the second flow path opening and closing valve 152 is closed, the operation of the hydrogen gas compressor 180 is stopped. .

도 5는 하절기 또는 동절기에 상기 연료전지 시스템(100)의 상용 운전 중인 상태를 나타낸다. 상기 연료전지 시스템(100)은 하절기 또는 동절기에도 중간기와 동일하게 비상 발전기로서의 기능을 수행할 수도 있다. 하지만, 하절기 또는 동절기에는 전력 수요가 피크가 되므로, 상기 연료전지 시스템(100)이 피크 부하를 줄이기 위하여 상용 운전을 수행하게 된다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.5 shows a state in which the fuel cell system 100 is in commercial operation in summer or winter. The fuel cell system 100 may perform a function as an emergency generator in the summer or winter as in the middle. However, since the demand for power peaks in summer or winter, the fuel cell system 100 performs commercial operation to reduce peak load. However, the present invention is not limited thereto.

먼저, 상기 전원스위치(160)는 상기 외부전원 및 상기 연료전지 시스템의 전원 모두를 상기 건물에 연결한다. 상기 제1유로 개폐 밸브(151)는 개방되고, 상기 제2유로 개폐 밸브(152), 상기 제3유로 개폐 밸브(153) 및 상기 제4유로 개폐 밸브(154)가 폐쇄된다. 상기 연료전지 시스템(100)의 구체적인 운전 상태는 전술한 도 3의 연료전지 시스템(100)의 운전 상태와 유사한 바, 상세한 설명은 생략한다.
First, the power switch 160 connects both the external power source and the power source of the fuel cell system to the building. The first flow path open / close valve 151 is opened, and the second flow path open / close valve 152, the third flow path open / close valve 153, and the fourth flow path open / close valve 154 are closed. The specific operating state of the fuel cell system 100 is similar to the operating state of the fuel cell system 100 of FIG. 3, and thus, a detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

100: 연료전지 시스템 110: 개질기
120: 수소 저장 탱크 130: 연료전지 스택
140: 응축수 트랩
151,152,153: 제1,2,3유로 개폐 밸브
160: 전원 스위치 171: 수소 가스 유로
172: 수소 가스 바이패스 유로 180: 수소 가스 압축기100: fuel cell system 110: reformer
120: hydrogen storage tank 130: fuel cell stack
140: condensate trap
151,152,153: 1, 2, 3 euro opening and closing valve
160: power switch 171: hydrogen gas flow path
172: hydrogen gas bypass flow path 180: hydrogen gas compressor

Claims (12)

연료를 공급받아 수소 가스를 생산하는 개질기, 상기 개질기에서 생산된 상기 수소 가스를 유입하여 저장하는 수소 저장 탱크, 상기 개질기 또는 상기 수소 저장 탱크로부터 수소 가스를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 스택, 및 상기 연료전지 스택에서 생산된 전기를 교류로 변환하여 수요처에 공급하는 교류변환기를 포함하는 비상 발전이 가능한 연료전지 시스템의 운전방법에 있어서,
중간기에는 상기 연료전지 시스템을 비상 발전용으로 운전하되, 상기 비상 발전 운전 중 상기 개질기에서 생산되는 수소 가스의 순도가 설정 값 이하인 기동 운전 시에는 상기 수소 저장 탱크에 저장된 수소 가스를 상기 연료전지 스택으로 공급하여 전기를 생산하고 상기 생산된 전기는 상기 교류변환기에서 변환시켜 상기 수요처로 공급하고 상기 개질기에서 생산된 수소 가스는 재순환 유로를 통하여 상기 개질기로 재순환시키고, 상기 개질기에서 생산되는 수소 가스의 순도가 설정 값보다 큰 정상 운전 시에는 상기 수소 가스 저장 탱크로부터 상기 연료전지 스택으로의 수소 가스 공급을 차단하고 상기 개질기에서 생산된 수소 가스를 상기 연료전지 스택으로 직접 공급하여 전기를 생산하고 상기 생산된 전기는 상기 교류변환기에서 변환시켜 상기 수요처로 공급하고, 상기 비상발전 운전이 종료되어 상기 연료전지 스택으로의 수소 가스의 공급을 차단한 상태에서 상기 개질기의 운전을 소정 시간 더 수행하여 상기 수소 저장 탱크에 수소 가스를 저장하고,
하절기 또는 동절기에는 상기 연료전지 시스템을 상용으로 운전하여 상기 수요처에 상용으로 전기를 공급하는 비상 발전이 가능한 연료전지 시스템의 운전방법.A reformer for receiving hydrogen and producing hydrogen gas, a hydrogen storage tank for introducing and storing the hydrogen gas produced by the reformer, a fuel cell stack for supplying hydrogen gas from the reformer or the hydrogen storage tank and producing electricity; In the method of operating a fuel cell system capable of emergency power generation comprising an AC converter for converting the electricity produced in the fuel cell stack into alternating current supplied to the demand destination,
In the intermediate stage, the fuel cell system is operated for emergency power generation, and during start-up operation in which the purity of hydrogen gas produced by the reformer during the emergency power generation operation is less than or equal to a predetermined value, the hydrogen gas stored in the hydrogen storage tank is transferred to the fuel cell stack. Supply electricity to produce electricity, the produced electricity is converted in the AC converter and supplied to the demand source, and the hydrogen gas produced in the reformer is recycled to the reformer through a recirculation flow path, and the purity of the hydrogen gas produced in the reformer is In the normal operation larger than the set value, the hydrogen gas supply from the hydrogen gas storage tank is cut off to the fuel cell stack, and the hydrogen gas produced in the reformer is directly supplied to the fuel cell stack to generate electricity. Is converted from the AC converter phase Supplied to the consumer, and the emergency generator is driving the end storage of hydrogen gas in the hydrogen storage tank and further performs the operation of the reformer in a state in which a predetermined time to stop the supply of hydrogen gas to the fuel cell stack, and
A method of operating a fuel cell system capable of emergency power generation by commercially operating the fuel cell system in summer or winter to supply electricity to the demander. 청구항 1에 있어서,
상기 연료전지 시스템은,
상기 개질기에서 생산된 수소 가스가 상기 연료전지 스택의 연료극으로 유입되기 위한 수소 가스 유로;
상기 수소 가스 유로 상에 설치되는 제1유로 개폐 밸브;
상기 제1유로 개폐 밸브를 바이패스하도록 양 단이 상기 수소 가스 유로에 연결되며, 상기 수소 저장 탱크가 설치되어 있는 수소 가스 바이패스 유로;
상기 수소 가스 바이패스 유로에서 상기 수소 저장 탱크의 입구 및 출구에 각각 설치되어 있는 제2유로 개폐 밸브 및 제3유로 개폐 밸브를 더 포함하는 비상 발전이 가능한 연료전지 시스템의 운전방법.The method according to claim 1,
The fuel cell system,
A hydrogen gas flow path for introducing hydrogen gas produced by the reformer into a fuel electrode of the fuel cell stack;
A first flow path open / close valve disposed on the hydrogen gas flow path;
A hydrogen gas bypass flow path having both ends connected to the hydrogen gas flow path so as to bypass the first flow path open / close valve, and the hydrogen storage tank installed;
And a second flow path on-off valve and a third flow path on-off valve respectively installed at the inlet and the outlet of the hydrogen storage tank in the hydrogen gas bypass flow path. 청구항 2에 있어서,
상기 중간기의 비상 발전 운전의 정상 운전 시, 상기 제1유로 개폐 밸브는 개방되고, 상기 제2유로 개폐 밸브 및 상기 제3유로 개폐 밸브는 폐쇄되는 비상 발전이 가능한 연료전지 시스템의 운전방법.The method according to claim 2,
In the normal operation of the emergency power generation operation of the intermediate period, the first flow path opening and closing valve is opened, the second flow path opening and closing valve and the third flow path opening and closing valve operation method of the fuel cell system capable of emergency power generation. 청구항 2에 있어서,
상기 중간기의 비상 발전 운전의 기동 운전 시, 상기 제1유로 개폐 밸브 및 상기 제2유로 개폐 밸브는 폐쇄되고, 상기 제3유로 개폐 밸브는 개방되는 비상 발전이 가능한 연료전지 시스템의 운전방법.The method according to claim 2,
And the first flow path opening / closing valve and the second flow path opening / closing valve are closed and the third flow path opening / closing valve is opened during the start operation of the emergency power generation operation of the intermediate period. 청구항 2에 있어서,
상기 연료전지 시스템은,
상기 개질기에서 생산된 상기 수소 가스를 상기 개질기로 재순환시키는 재순환 유로; 및
상기 재순환 유로 상에 설치되는 제4유로 개폐 밸브를 더 포함하는 비상 발전이 가능한 연료전지 시스템의 운전방법.The method according to claim 2,
The fuel cell system,
A recycling passage for recycling the hydrogen gas produced in the reformer to the reformer; And
And a fourth flow path open / close valve installed on the recirculation flow path. 청구항 5에 있어서,
상기 중간기의 비상 발전 운전의 기동 운전 시, 상기 제4유로 개폐 밸브가 개방되고, 상기 제1유로 개폐 밸브가 폐쇄되어, 상기 개질기에서 생상된 상기 수소 가스가 상기 개질기로 재순환되는 비상 발전이 가능한 연료전지 시스템의 운전방법.The method according to claim 5,
During start-up operation of the emergency power generation operation of the intermediate stage, the fourth flow path open / close valve is opened, the first flow path open / close valve is closed, and the fuel capable of emergency power generation in which the hydrogen gas generated in the reformer is recycled to the reformer. How to Operate Battery System. 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 연료전지 시스템은,
상기 교류변환기에서 생산된 교류전원과 외부의 교류 전원 중에서 하나를 상기 수요처에 선택적으로 공급하는 전원스위치를 더 포함하는 비상 발전이 가능한 연료전지 시스템의 운전방법.The method according to claim 1,
The fuel cell system,
And a power switch for selectively supplying one of the AC power produced by the AC converter and an external AC power source to the demand destination. 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 연료전지 시스템은,
상기 수소 저장 탱크에 저장되는 수소 가스를 가압하는 수소 가스 압축기를 더 포함하는 비상 발전이 가능한 연료전지 시스템의 운전방법.The method according to claim 1,
The fuel cell system,
And a hydrogen gas compressor for pressurizing the hydrogen gas stored in the hydrogen storage tank. 청구항 1에 있어서,
상기 연료전지 스택에서 발생되는 열이 상기 개질기의 기동 또는 정상 운전을 위한 열원으로서 이용되는 비상 발전이 가능한 연료전지 시스템의 운전방법.The method according to claim 1,
A method of operating a fuel cell system capable of emergency power generation wherein heat generated in the fuel cell stack is used as a heat source for starting or normal operation of the reformer.
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