KR101325143B1 - 연료전지 시스템 및 그 운전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 정전 후 복전 시 연료전지 시스템에 구비되는 모터밸브들의 개폐를 제어하여 플로팅 시 오동작을 방지함으로써 내부의 주요 부품들의 손상을 방지하기 위한 연료전지 시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 탄화수소계 연료를 공급하는 연료공급부, 연료를 수소로 개질하는 개질기, 수소와 공기의 화학반응을 이용하여 전력을 생산하는 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 정전 후 복전 발생시, 연료전지 시스템에 구비되는 복수의 모터밸브에 공급되는 전원을 스위칭하는 스위치부 및 복전 발생시, 스위치부를 제어하여 복수의 모터밸브에 공급되는 전원을 일시적으로 공급하고, 복수의 모터밸브를 모두 닫도록 제어하여 초기화시키는 제어부를 포함한다.
따라서 본 발명에 따르면 연료전지 시스템의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

연료전지 시스템 및 그 운전방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 정전 후 복전 시 연료전지 시스템에 구비되는 모터밸브들의 개폐를 제어하여 플로팅 시 오동작을 방지함으로써 내부의 주요 부품들의 손상을 방지하기 위한 연료전지 시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이다. 연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)와 같은 여러 종류의 연료전지로 구분된다.
고분자 전해질 연료전지는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 수소를 함유하는 연료 가스와, 산소를 함유하는 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기 에너지와 열을 연속적으로 발생시킨다. 이런 고분자 전해질 연료전지는 다른 연료전지에 비하여 출력특성이 탁월하며, 작동온도가 낮고, 아울러 빠른 시동 및 응답특성을 갖는다. 이러한 고분자 전해질형 연료전지를 이용하여 구성한 연료전지 시스템은 이동용 전원 또는 배터리 대체전원과 같은 여러 분야에 이용되는데, 다음과 같은 구성요소들로 이루어진 구조를 갖는다.
연료전지 시스템은 산소를 함유한 공기를 연료전지 스택에 공급한다. 한편으로는 연료전지 시스템은 수소 공급원으로서 발전원료를 수소가 풍부한 개질가스로 개질하여 연료전지 스택에 공급한다. 그리고, 연료전지 시스템은 연료전지 스택 내에서 수소와 산소의 전기화학반응을 유도하여 직류(DC) 전력을 생산하고, 이렇게 생산된 직류 전력을 외부 부하의 전원으로 사용할 수 있도록 교류(AC) 전력으로 변환한다. 이 외에도 연료전지 시스템은 연료전지 스택의 발전과정에서 발생되는 폐열을 회수하여, 축열조와 같은 저장조에 온수 또는 난방수와 같은 열원으로 저장한다.
도 4는 종래의 가정용 연료전지 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 4를 참조하면 종래의 연료전지 시스템은 연료 공급부(41), 탈황기(42), 개질기(43), 연료전지 스택(44), 스위칭모드 파워서플라이(45, SMPS), 계통(46) 및 다수의 밸브(a~d, V2)를 포함한다.
도 4와 같이 구성된 종래의 연료전지 시스템(40)의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료 공급부(41)는 연료를 개질기(43)로 공급한다.
여기서 연료로는 주로 탄화수소계 연료(LNG, LPG, 등유 등)가 사용된다.
그리고 이러한 연료는 탈황기(42)를 거쳐 황화수소나 아황산가스와 같은 황성분을 제거된다.
그러면 개질기(43)는 탈황기(42)를 거쳐 황성분이 제거된 연료를 개질하여 수소를 생성한다.
그리고 연료 공급부(41)는 연료의 개질에 필요한 물을 개질기(43)로 공급한다. 여기서 물은 일반적인 수돗물이나 직수를 사용한다.
수소는 개질가스(수소) 공급라인을 경유하여 연료전지 스택(44)의 애노드(Anode)로 공급되고, 외부의 블로어(미도시)로부터 유입된 공기는 캐쏘드(Cathode)로 공급된다.
이 때 개질가스 공급라인 상에는 릴리프 밸브(V2)와 제1 밸브(c)가 구비되어 있다. 릴리프 밸브(V2)는 연료전지 스택(44)으로 공급되는 개질가스의 압력이 과도하게 상승될 경우에 상승된 압력을 조절한다. 그리고 제1 밸브(c)는 개질기(43)에서 연료전지 스택(44)으로 공급되는 개질가스의 유량을 조절한다.
연료전지 스택(44)에서 화학반응 후 남은 잔여 개질가스는 잔여 개질가스 회수라인을 경유하여 다시 개질기(43)로 공급된다.
이때에도 잔여 개질가스 배출라인 상에는 제2 밸브(d)가 구비되어 잔여 개질가스의 유량을 조절한다. 그리고 바이패스 라인 상에 제3 밸브(b)를 구비하여 개질가스의 유동흐름을 제어할 수 있다.
마지막으로 개질기(43)에서 생성된 고온의 폐가스는 벤트박스(Vent Box)(e)를 경유하여 외부로 배출된다. 여기서 벤트박스(e)는 제1 내지 제4 밸브들(a~d) 중 어느 하나의 밸브가 오픈되는 경우 오픈되는 환기박스이다.
그리고 제4 밸브(a)는 개질가스 공급라인과 벤트박스(e) 사이에 위치하며, 벤트박스(e)로 입력되는 개질가스의 유동흐름을 제어할 수 있다.
그러나 스위칭모드 파워서플라이(45)는 계통(46)을 통해 공급된 전원을 밸브들(a~d)의 기동전압으로 변환 또는 변압하여 공급하기 때문에 계통(46)이 정전되는 경우, 스위칭모드 파워서플라이(45)로 공급되는 전원이 차단되어 밸브들(a~d)로 기동전원을 공급할 수 없다. 그러면 전원이 차단된 밸브들(a~d)은 플로팅(Floating) 상태로 된다는 문제점이 있었다.
또한 이 경우, 정전 상황이 해제되어 복전되면, 플로팅 상태의 밸브들(a~d)로 전원이 재공급되어 오동작을 일으킨다는 문제점도 있었다.
특히 일부 밸브의 오동작으로 인해 개질기(43)의 고온 폐가스가 배출되지 않는 상황이 발생하면, 개질기(43)의 내부가 크게 손상된다.
따라서 종래의 연료전지 시스템은 시스템의 정전 후, 복전 시 플로팅 상태의 밸브들의 오동작으로 인해 연료전지 시스템을 구성하는 주요핵심 구성요소들이 손상될 수 있다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 특히 정전 후 복전 시, 모터밸브의 개폐를 제어하여 플로팅 시 발생하는 부품들의 손상을 방지하기 위한 연료전지 시스템 및 그 운전방법을 제공하는 것이다.
이를 위해 본 발명에 따르는 연료전지 시스템은 탄화수소계 연료를 공급하는 연료공급부, 연료를 수소로 개질하는 개질기, 수소와 공기의 화학반응을 이용하여 전력을 생산하는 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 정전 후 복전 발생시, 연료전지 시스템에 구비되는 복수의 모터밸브에 공급되는 전원을 스위칭하는 스위치부 및 복전 발생시, 스위치부를 제어하여 복수의 모터밸브에 공급되는 전원을 일시적으로 공급하고, 복수의 모터밸브 모두 닫도록 제어하여 초기화시키는 제어부를 포함한다.
또한 이를 위해 본 발명에 따르는 연료전지 시스템은 탄화수소계 연료를 공급하는 연료공급부, 연료를 수소로 개질하는 개질기, 수소와 공기의 화학반응을 이용하여 전력을 생산하는 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 정전 후 복전 발생시, 연료전지 시스템에 구비되는 복수의 모터밸브에 공급되는 전원을 스위칭하는 스위치부, 개질기의 온도를 감지하는 제1 온도센서, 연료전지 스택의 온도를 감지하는 제2 온도센서, 복수의 모터밸브에 각각 구비되어 각각의 모터밸브 개폐와 플로팅을 감지하는 복수의 감지센서, 상기 복전 발생시, 상기 제1 온도센서와 상기 제2 온도센서에서 제공되는 온도정보, 및 상기 복수의 감지센서에서 제공되는 각 모터밸브의 개폐상태와 플로팅 상태를 기반으로 상기 스위치부를 제어하는 제어부를 포함한다.
이때, 상기 제어부는 상기 제1 온도센서와 상기 제2 온도센서에서 제공되는 온도정보와 기 저장된 온도정보를 비교하여 상기 연료전지 시스템의 재운전과 정격운전 여부를 판단하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 상기 복수의 감지센서에서 제공되는 각 모터밸브의 개폐상태와 기 저장된 개폐정보를 비교하여 상기 연료전지 시스템의 상기 정전 전의 상태를 판단하도록 이루어질 수 있다.
한편, 기 저장된 온도정보는 개질기가 연료를 개질하여 수소를 생성할 수 있는 온도와 연료전지 스택이 정격운전을 할 때 발생하는 최소온도이다.
또한, 기 저장된 개폐정보는 복수의 모터밸브가 연료전지 시스템의 각각의 상태에 따라 개폐여부를 보여주는 정보이다.
또한 이를 위해 본 발명에 따르는 연료전지 시스템의 운전방법은 정전 후, 복전이 발생하는 단계, 복전이 발생한 후, 개질기의 온도와 운전이 가능한 기 저장된 온도를 비교하는 단계, 개질기의 온도가 기 저장된 온도 이상이라면, 정전 직전에 연료전지 시스템이 운전중이였는지 여부를 확인하는 단계, 연료전지 시스템이 운전중이였다면, 복수의 모터밸브로 전원을 공급하는 단계, 연료전지 스택이 정격으로 운전이 가능한지의 여부를 판단하는 단계, 및 상기 연료전지 스택의 정격운전이 가능한 경우, 전력을 정상적으로 공급하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 연료전지 스택의 정격운전이 불가능한 경우, 상기 복수의 모터밸브의 개방치를 점차적으로 올려서 상기 연료전지 스택의 발전량을 늘려주는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 개질기의 온도가 기 저장된 온도 미만이라면, 복수의 모터밸브를 순차적으로 닫는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 연료전지 시스템이 운전중이 아니였다면, 복수의 모터밸브를 순차적으로 닫는 단계를 더 포함하도록 이루어질 수 있다.
이때, 운전이 가능한 기 저장된 온도는 개질기가 연료를 개질하여 수소를 생성할 수 있는 최소 온도로 설정한다.
또한, 연료전지 스택이 정격운전 시 발생하는 최소 온도를 기준으로 판단하도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 정전 후 복전 시, 연료전지 시스템의 동작을 초기화함으로써 내부 부품들의 손상을 방지하는 효과가 있다.
또한 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 정전 후 복전 시, 연료전지 시스템의 모터밸브를 제어하여 내부 부품의 손상없이 연료전지 시스템을 자동으로 재가동하는 효과도 있다.
따라서 궁극적으로 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료전지 시스템을 보여주기 위한 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료전지 시스템에 구비된 제어부가 스위치부를 제어하는 일 예를 보여주는 예시도.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 연료전지 시스템을 보여주기 위한 블록도.
도 4는 종래의 가정용 연료전지 시스템을 보여주는 블록도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르는 연료전지 시스템의 제어 방법을 보여주는 순서도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템 및 그 운전방법을 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3 및 도 5의 동일 부재에 대해서는 동일한 도면 번호를 기재하였다.
본 발명의 기본 원리는 정전 후 복전 시, 연료전지 시스템에 구비된 복수의 모터밸브의 개폐를 제어하여 연료전지 시스템을 안전하게 운전하는 것이다.
본 발명을 설명함에 있어 연료전지 스택과 스택은 동일한 의미로 사용된다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료전지 시스템을 보여주기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료전지 시스템(100)는 연료 공급부(110), 탈황기(120), 개질기(130), 연료전지 스택(140), 스위칭모드 파워서플라이(150), 계통(160), 스위치부(170), 제어부(180)를 포함한다.
도 1과 같이 구성된 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료전지 시스템(100)의 동작을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료 공급부(110)는 탄화수소계(LNG, LPG, 등유 등) 연료를 개질기(130)로 공급한다.
연료가 개질기(130)에 유입되기 전에 연료는 탈황기(120)를 경유하는데 이는 연료에 포함되어 있는 황화수소나 아황산가스와 같은 황성분을 제거하기 위함이다.
이와 같이 연료는 탈황기(120)에서 황성분이 제거된 후, 개질기(130)에 유입되어 수소로 개질된다.
그리고 연료 공급부(110)는 연료의 개질을 위해 물을 개질기(130)기로 공급한다.
여기서 물은 일반적인 수돗물이나 직수를 사용한다. 이와 같이 개질기(130)로 연료와 물이 공급되면 내부의 버너(미도시)에 의해 연료가 개질되어 수소가 생성된다.
그러면 수소는 개질가스(수소) 공급라인을 경유하여 연료전지 스택(140)의 애노드(Anode)로 공급되고, 외부의 공기는 블로어(미도시)에 의해 캐쏘드(Cathode)로 공급된다.
이 때 개질가스 공급라인 상에는 릴리프 밸브(f)와 제3 모터밸브(c)가 구비되어 있다. 릴리프 밸브(f)는 연료전지 스택(140)으로 공급되는 개질가스의 압력이 과도하게 상승될 경우에 상승된 압력을 조절한다. 그리고 제3 모터밸브(c)는 개질기(130)에서 연료전지 스택(140)으로 공급되는 개질가스의 유량을 조절한다.
연료전지 스택(140)에서 화학반응 후 남은 잔여 개질가스는 잔여 개질가스 회수라인을 경유하여 다시 개질기(130)로 회수된다.
이때에도 잔여 개질가스 회수라인 상에는 제4 모터밸브(d)가 구비되어 잔여 개질가스의 유량을 조절한다. 그리고 바이패스 라인 상에 제2 모터밸브(b)를 구비하여 개질가스의 유동흐름을 제어할 수 있다.
마지막으로 개질기(130)에서 생성된 고온의 폐가스는 벤트박스(Vent Box)(e)를 경유하여 외부로 배출된다.
여기서 벤트박스(e)는 제1 내지 제4 모터밸브들(a~d) 중 어느 하나의 밸브가 오픈되는 경우 오픈되는 환기박스이다.
그리고 제1 모터밸브(a)는 개질가스 공급라인과 벤트박스(e) 사이에 위치하며, 벤트박스(e)로 입력되는 개질가스의 유동흐름을 제어할 수 있다.
만약, 계통(160)에서 정전이 발생하는 경우, 스위칭모드 파워서플라이(150)는 제1 내지 제4 모터밸브들(a~d)로 전원을 공급하지 못한다. 따라서 모터밸브들(a~d)은 플로팅 상태로 유지될 수 있다. 그러나 이 상태에서 계통(160)이 복전되면, 스위칭모드 파워서플라이(150)가 플로팅 상태로 될 가능성이 높은 모터밸브들(a~d)로 전원을 공급한다. 따라서 이러한 오동작을 방지하기 위하여 스위치부(170)가 구비되어 각각의 밸브들(a~d)로 입력되는 전원을 제어부(180)의 제어에 의해 각각 스위칭한다.
이와 같은 제어는 다음의 도 2에서 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료전지 시스템(100)에 구비된 제어부(180)가 스위치부(170)를 제어하는 일 예를 보여주는 예시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따르는 스위치부(170)는 제1 스위치(SW1) 내지 제4 스위치(SW4)를 포함한다.
각각의 스위치의 일단은 각각의 모터밸브와 전기적으로 연결되어 있고, 각각의 스위치의 다른 일단은 스위치모드 파워서플라이(150)과 각각 전기적으로 연결되어 있다.
만약, 정전되는 경우에 제어부(180)는 다음과 같이 스위치부(170)를 제어한다. 우선 제어부(180)는 기 설정된 시간 이상 스위치부(170)의 전류나 전압이 감지되지 않으면 정전이라고 판단할 수 있다. 이를 위해 스위치부(170)에는 전류계나 전압계가 구비되어 제어부(180)로 정보제공을 할 수 있다.
정전 후 복전되면, 제어부(180)는 모든 스위치(SW1 ~ SW4)를 모두 전기적으로 오픈시키도록 스위치부(170)를 제어한다. 그리고 순차적으로 SW1을 도통시켜 제1 모터밸브(a)를 리셋하도록 제어하고, 제2 모터밸브(b)를 리셋하도록 제어한다. 나머지 모터밸브들(c~d)도 이와 마찬가지로 제어된다.
따라서 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료전지 시스템은 초기화(stand-by)된다.
또한, 도 2를 설명함에 있어서, 2극 스위치를 사용하는 예시를 기술하였지만, 여기서 스위치부(170)는 NMOS 나 PMOS와 같은 트랜지스터 스위치가 사용될 수 있다.
이와 같이 제어부(180)는 모든 모터밸브들(a~d)을 차단시킨 후, 연료전지 시스템이 초기화되었다고 판단하면, 다시 스위치부(170)를 제어하여 모터밸브(a~d)를 순차적으로 기동시킨다.
따라서 본 발명에 따르면 제어부(180)가 스위치부(170)를 제어하여 순차적으로 각각의 모터밸브들(a~d)을 차단하여 리셋시킴으로써, 연료전지 시스템에서 모터밸브들(a~d)의 오동작없이 정상 재가동될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 연료전지 시스템을 보여주기 위한 블록도이다.
도 3을 참조하면 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 연료전지 시스템(200)는 탄화수소계 연료와 직수(물)의 공급을 위한 연료 공급부(110), 탄화수소계 연료로부터 황성분의 제거를 위한 탈황기(120), 황성분이 제거된 탄화수소계 연료로부터 수소의 개질을 위한 개질기(130), 수소와 공기를 공급받아 전력을 생성하는 연료전지 스택(140), 계통(160)으로부터 공급받은 전원을 변환 또는 변압하여 복수의 모터밸브(a~d)로 전력을 공급하는 스위칭모드 파워서플라이(150), 스위칭모드 파워서플라이(150)의 전력을 스위칭하는 스위치부(170), 정전 후 복전 시 각각의 모터밸브(a~d)의 개폐상태, 플로팅 상태 및 개질기(130) 내부의 온도정보를 제공받아 스위치부(170)를 제어하는 제어부(180)를 포함한다.
도 3과 같이 구성된 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 연료전지 시스템(200)의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료 공급부(110)는 탄화수소계(LNG, LPG, 등유 등) 연료를 개질기(130)로 공급한다.
연료가 개질기(130)에 유입되기 전에 연료는 탈황기(120)를 경유하는데 이는 연료에 포함되어 있는 황화수소나 아황산가스와 같은 황성분을 제거하기 위함이다.
이와 같이 탈황된 연료는 개질기(130)에 유입되어 수소로 개질된다.
그리고 연료 공급부(110)는 연료의 개질과 연료전지 스택(140)의 전력생산에 필요한 물을 개질기(130)기로 공급한다.
여기서 물은 일반적인 수돗물이나 직수를 사용한다. 이와 같이 개질기(130)로 공급된 연료와 물은 수소로 개질된다. 그러면 수소는 개질가스(수소) 공급라인을 경유하여 연료전지 스택(140)의 애노드(Anode)로 공급되고, 외부에서 유입된 공기는 캐쏘드(Cathode)로 공급된다.
바람직하게 개질기(130)와 연료전지 스택(140)에는 내부온도의 감지가 가능한 제1 온도센서(131)와 제2 온도센서(141)를 각각 구비한다.
이 때 개질가스 공급라인 상에는 릴리프 밸브(f)와 제3 모터밸브(c)가 구비되어 있다. 릴리프 밸브(f)는 연료전지 스택(140)으로 공급되는 개질가스의 압력이 과도하게 상승될 경우에 상승된 압력을 조절한다. 그리고 제3 모터밸브(c)는 개질기(130)에서 연료전지 스택(140)으로 공급되는 개질가스의 유량을 조절한다.
여기서 제3 모터밸브(c)도 개폐상태의 감지가 가능한 제3 센서(c')포함한다.
연료전지 스택(140)에서 화학반응 후 남은 잔여 개질가스는 잔여 개질가스 회수라인을 경유하여 다시 개질기(130)로 공급된다.
이때에도 잔여 개질가스 회수라인 상에는 제4 모터밸브(d)가 구비되어 잔여 개질가스의 유량을 조절한다. 그리고 바이패스 라인 상에 제2 모터밸브(b)를 구비하여 개질가스의 유동흐름을 제어할 수 있다.
마찬가지로 제2 모터밸브(b) 및 제4 모터밸브(d)도 개폐상태의 감지가 가능한 제2, 제4 센서(b',d')를 포함한다.
그리고 제1 모터밸브(a)는 개질가스 공급라인과 벤트박스(e) 사이에 위치하며, 벤트박스(e)로 입력되는 개질가스의 유동흐름을 제어할 수 있다. 제1 모터밸브(a)도 다른 밸브와 마찬가지로 개폐상태의 감지가 가능한 제1 센서(a')를 포함한다.
마지막으로 개질기(130)에서 생성된 고온의 폐가스는 벤트박스(Vent Box)(e)를 경유하여 배출구로 배출된다. 마찬가지로 벤트박스(e)는 모터밸브들 중 어느 하나의 밸브 이상이 오픈되는 경우, 오픈된다.
만약 계통(160)에서 정전이 발생하는 경우, 스위칭모드 파워서플라이(150)는 모터밸브들(a~d)로 전원을 공급하지 못한다. 따라서 모터밸브들(a~d)은 플로팅 상태로 유지될 수 있다. 따라서 만약 계통(160)이 복전되면, 플로팅 상태의 모터밸브들(a~d)로 전원이 공급되어 오동작을 하는 것을 방지하기 위하여 제어부(180)에 의해 제어되는 스위치부(170)가 구비되어 각각의 밸브들(a~d)로 입력되는 전원을 스위칭한다.
여기서 제어부(180)의 제어동작을 자세하게 설명하면 다음과 같다.
우선, 제어부(180)는 제1 내지 제4 센서들(a'~ d')로부터 제1 내지 제4 모터밸브(a ~ d)의 개폐상태 및 플로팅 상태 정보를 실시간으로 제공받는다.
그리고 제1 온도센서(131)와 제2 온도센서(141)로부터 개질기(130) 및 연료전지 스택(140) 내부의 온도정보를 실시간으로 제공받는다.
만약 계통(160)의 정전이 발생하면, 스위칭모드 파워서플라이(150)로의 전원공급이 중단되어 각각의 모터밸브(a~d)로의 전원공급도 중단된다.
제어부(180)는 스위칭모드 파워서플라이(150)와 스위치부(170)가 입출력되는 전류나 전압을 감지하기 위해 전류와 전압이 입출력되는 단에 구비된 전류계(미도시) 또는 전압계(미도시)를 통해 기 설정된 시간 이상 전류나 전압이 감지되지 않으면 현재 상태를 정전이라고 판단하고, 상술한 실시간으로 제공받은 개폐상태 정보와 온도정보를 토대로 현재상태를 저장한다.
따라서 복전이 되는 경우에도, 제어부(180)는 현재 상태를 판별할 수 있다.
이러한 판별의 일 예를 다음의 [표 1]을 참조하여 설명한다.

Stage		 모터밸브의 상태(O: open, X: close)
제1 모터밸브
(a)		 제2 모터밸브
(b)		 제3 모터밸브 (c) 제4 모터밸브
(d)		 벤트박스
(e)
A X X X X X
B O X X X O
C X O X X O
D X X O O O
E X X O O O
F O X X X O
G O X X X O
[표 1]에 기재된 Stage의 A는 '대기'상태, B는 '운전준비'상태, C는 '제1운전'상태, D는 '제2운전'상태, E는 '제3운전'상태, F는 '제1냉각'상태, 및 G는 '제2냉각'상태를 나타낸다.
따라서, [표 1]을 참조하면, 정전 후 복전이 된 경우 제어부(180)는 상기 저장된 정보를 기반으로 모터밸브들(a~d) 및 벤트박스(e)를 이전 운전조건에 부합하도록 스위치부(170)를 제어하여 연료시스템을 정상으로 기동할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르는 연료전지 시스템의 운전방법을 보여주는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르는 연료전지 시스템의 운전방법(500)은 정전 후 복전이 발생하는 단계(S510), 개질부의 온도가 운전가능한지 판단하는 단계(S520), 운전 가능한 경우, 정전직전 운전중이였는지 판단하는 단계(S530), 정전직전 운전중이였다면, 전원을 공급하는 단계(S540), 스택의 정격운전이 가능한지 판단하는 단계(S550), 가능하다면 정격운전을 수행하는 단계(S560)을 포함한다.
도 5와 같이 이루어지는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르는 연료전지 시스템의 운전방법의 절차를 자세하게 설명하면 다음과 같다.
우선 정전이 된 이후, 일정 시간 이후에 복전이 발생한다(S510).
그러면 제어부(180)는 개질기(130)의 내부에 구비된 온도센서(131)로부터 제공받은 온도와 운전이 가능한 기 저장된 온도를 비교한다(S520).
만약, 온도가 기 저장된 온도 이상이라면, 제어부(180)는 정전 직전에 연료전지 시스템이 운전중이였는지 여부를 확인한다(S530).
예를 들어, 개질기(130)와 연료전지 스택(140)은 운전시 일정온도 이상으로 상승하기 때문에, 만약 개질기(130)와 연료전지 스택(140)에 구비된 제1 온도센서(131)와 제2 온도센서(141)의 온도를 제어부(180)에 기 저장된 운전시 발생되는 최소온도와 각각 비교함으로써 운전여부를 확인할 수 있다.
만약, 연료전지 시스템이 운전중이였다면, 제어부(180)는 스위치부(170)를 전기적으로 쇼트되도록 제어하여 복수의 모터밸브로 전원을 재공급한다(S540).
그 후, 제어부(180)는 연료전지 스택(140)에 구비된 제2 온도센서(141)로부터 제공받은 온도정보로 연료전지 스택(140)이 정격으로 운전이 가능한지의 여부를 다시 한번 판단한다(S550).
만약, 정격운전이 가능한 경우, 제어부(180)는 전력을 정상적으로 공급하도록 스위치부(170)를 제어하고, 그렇지 않다면 각각의 모터밸브(a~d)의 개방치를 점차적으로 올려서 연료전지 시스템이 정격으로 운전하도록 연료전지 스택(140)의 발전량을 늘려준 후 정격운전 단계로 전환한다(S590).
한편 S520 단계에서, 개질기(130)의 온도가 재운전이 가능하지 않다면, 스위치부(170)를 제어하여 각각의 모터밸브(a~d)를 일시적으로 활성화시킨 후(S570), 각각의 모터밸브(a~d)를 닫는다(S580)
마찬가지로, S530 단계에서 정전 직전 운전중이 아닌 경우에도, 스위치부(170)를 제어하여 각각의 모터밸브(a~d)를 일시적으로 활성화시킨 후(S570), 각각의 모터밸브(a~d)를 닫는다(S580)
따라서, 본 발명에 따르는 연료전지 시스템 및 그 운전방법에 따르면, 정전 후 복전 시에도 플로팅될 가능성이 있는 모터밸브로 인한 내부 주요부품의 손실을 방지할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110: 연료 공급부 120: 탈황기
130: 개질기 140: 연료전지 스택
150: SMPS 160: 계통
170: 스위치부 180: 제어부

Claims (12)

  1. 탄화수소계 연료를 공급하는 연료공급부, 상기 연료를 수소로 개질하는 개질기, 상기 수소와 공기의 화학반응을 이용하여 전력을 생산하는 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,
    정전 후 복전 발생시, 상기 연료전지 시스템에 구비되는 복수의 모터밸브에 공급되는 전원을 스위칭하는 스위치부; 및
    상기 복전 발생시, 상기 스위치부를 제어하여 상기 복수의 모터밸브에 공급되는 전원을 일시적으로 공급하고, 상기 복수의 모터밸브를 모두 닫도록 제어하여 초기화시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 탄화수소계 연료를 공급하는 연료공급부, 상기 연료를 수소로 개질하는 개질기, 상기 수소와 공기의 화학반응을 이용하여 전력을 생산하는 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,
    정전 후 복전 발생시, 연료전지 시스템에 구비되는 복수의 모터밸브에 공급되는 전원을 스위칭하는 스위치부;
    상기 개질기의 온도를 감지하는 제1 온도센서;
    상기 연료전지 스택의 온도를 감지하는 제2 온도센서;
    상기 복수의 모터밸브에 각각 구비되어 각각의 모터밸브 개폐와 플로팅을 감지하는 복수의 감지센서; 및
    상기 복전 발생시, 상기 제1 온도센서와 상기 제2 온도센서에서 제공되는 온도정보, 및 상기 복수의 감지센서에서 제공되는 각 모터밸브의 개폐상태와 플로팅 상태를 기반으로 상기 스위치부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 제1 온도센서와 상기 제2 온도센서에서 제공되는 온도정보와 기 저장된 온도정보를 비교하여 상기 연료전지 시스템의 재운전과 정격운전 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 복수의 감지센서에서 제공되는 각 모터밸브의 개폐상태와 기 저장된 개폐정보를 비교하여 상기 연료전지 시스템의 상기 정전 전의 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 기 저장된 온도정보는
    상기 개질기가 상기 연료를 개질하여 수소를 생성할 수 있는 온도와 상기 연료전지 스택이 정격운전을 할 때 발생하는 최소온도인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 기 저장된 개폐정보는
    상기 복수의 모터밸브가 상기 연료전지 시스템의 각각의 상태에 따라 개폐여부를 보여주는 정보인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 정전 후, 복전이 발생하는 단계;
    상기 복전이 발생한 후, 개질기의 온도와 운전이 가능한 기 저장된 온도를 비교하는 단계;
    상기 개질기의 온도가 상기 기 저장된 온도 이상이라면, 상기 정전 직전에 연료전지 시스템이 운전중이였는지 여부를 확인하는 단계;
    연료전지 시스템이 운전중이였다면, 복수의 모터밸브로 전원을 공급하는 단계;
    연료전지 스택이 정격으로 운전이 가능한지의 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 연료전지 스택의 정격운전이 가능한 경우, 전력을 정상적으로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 연료전지 스택의 정격운전이 불가능한 경우,
    상기 복수의 모터밸브의 개방치를 점차적으로 올려서 상기 연료전지 스택의 발전량을 늘려주는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 개질기의 온도가 상기 기 저장된 온도 미만이라면, 상기 복수의 모터밸브를 순차적으로 닫는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템이 운전중이 아니였다면, 상기 복수의 모터밸브를 순차적으로 닫는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  11. 제 7항에 있어서, 상기 운전이 가능한 기 저장된 온도는
    상기 개질기가 연료를 개질하여 수소를 생성할 수 있는 최소 온도인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  12. 제 7항에 있어서, 상기 연료전지 스택의 정격 운전 가능여부는
    상기 연료전지 스택의 정격운전 시 발생하는 최소 온도를 기준으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
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