KR101416908B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압축공기분배기에 압축공기를 공급하도록 형성되는 공기공급장치, 및 연료전지스택에 가스를 공급하도록 이루어지고 상기 압축공기분배기에 공급되는 상기 압축공기의 압력이 기설정된 기준값 이하인 경우 상기 압축공기분배기에 상기 가스를 공급하도록 상기 공기공급장치와 연결되는 가스공급장치를 포함하며, 상기 압축공기분배기에 공급되는 상기 압축공기의 압력이 상기 가스의 압력보다 높은 경우 상기 압축공기는 상기 압축공기분배기에 유입되어 상기 기준값 이상의 압력을 형성하고 상기 가스의 상기 압축공기분배기로의 유입은 제한되며, 상기 압축공기분배기에 공급되는 상기 가스의 압력이 상기 압축공기의 압력보다 높은 경우 상기 가스는 상기 압축공기분배기에 유입되어 상기 기준값 이상의 압력을 형성하고 상기 압축공기의 상기 압축공기분배기로의 유입은 제한되는 연료전지 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 밸브에 공급되는 공기의 압력 감소 또는 공급 중단에 의해 시스템의 작동이 중지되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 연료의 화학 에너지를 전기화학 반응을 통해 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지이다.
공기압에 의해 제어되는 공기밸브를 구비하는 연료전지 시스템의 경우 공기밸브의 구동을 위한 공기가 공기밸브에 지속적으로 공급되어야 한다. 만일, 공기의 압력이 감소하거나 공급이 중단되면 공기밸브는 fail mode에 진입하며, 이에 따라 연료전지 시스템 전체의 작동이 중지(emergency shut down)될 수 있다.
MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell)와 같은 고온형 연료전지의 경우 갑작스런 연료전지 시스템의 작동 중지는 연료전지 시스템을 구성하는 연료전지스택 및 BOP(Balance Of Plant)에 열적, 기계적 충격을 가하게 되며, 이로 인하여 영구적인 손실이 발생할 수 있다.
본 발명은 밸브에 공급되는 공기의 압력 감소 또는 공급 중단에도 안정적인 작동을 유지할 수 있는 연료전지 시스템을 제안하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지 시스템은 압축공기분배기에 압축공기를 공급하도록 형성되는 공기공급장치, 및 연료전지스택에 가스를 공급하도록 이루어지고, 상기 압축공기분배기에 공급되는 상기 압축공기의 압력이 기설정된 기준값 이하인 경우 상기 압축공기분배기에 상기 가스를 공급하도록 상기 공기공급장치와 연결되는 가스공급장치를 포함하며, 상기 압축공기분배기에 공급되는 상기 압축공기의 압력이 상기 가스의 압력보다 높은 경우 상기 압축공기는 상기 압축공기분배기에 유입되어 상기 기준값 이상의 압력을 형성하고 상기 가스의 상기 압축공기분배기로의 유입은 제한되며, 상기 압축공기분배기에 공급되는 상기 압축공기의 압력이 상기 가스의 압력 이하로 낮아지는 경우 상기 가스는 상기 압축공기분배기에 유입되어 상기 기준값 이상의 압력을 형성하고 상기 압축공기의 상기 압축공기분배기로의 유입은 제한된다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 공기공급장치는 상기 압축공기를 형성하는 공기압축기와, 상기 공기압축기와 상기 압축공기분배기를 연결하고 어느 일 지점에서 상기 가스공급장치와 연결되는 제1배관, 및 상기 공기압축기와 상기 일 지점 사이에 설치되며 상기 압축공기와 상기 가스의 압력차에 의한 역류를 방지하도록 형성되는 제1체크밸브를 포함한다.
또한, 상기 가스공급장치는 상기 가스를 저장하는 저장용기와, 상기 가스의 상기 연료전지스택으로의 공급압력을 제어하도록 이루어지는 압력조절기와, 상기 저장용기와 제1배관의 상기 어느 일 지점을 연결하는 제2배관, 및 상기 압력조절기와 상기 어느 일 지점 사이에 설치되고 상기 압축공기와 상기 가스의 압력차에 의한 역류를 방지하도록 이루어지는 제2체크밸브를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 가스는 상기 연료전지 시스템의 Heat Up 및 Cool Down 과정 동안 상기 연료전지스택에 공급된다. 상기 가스는 비활성 기체를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 압축공기분배기는 상기 압축공기 또는 상기 가스를 개별밸브에 공급하도록 형성된다. 상기 압축공기분배기와 상기 개별밸브 사이에는 상기 압축공기 또는 상기 가스의 상기 개별밸브로의 공급압력을 제어하도록 이루어지는 압력조절기가 설치될 수 있다.
또한, 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 압축공기분배기에 압축공기를 공급하도록 형성되는 공기공급장치와, 연료전지스택에 가스를 공급하도록 이루어지고 상기 압축공기분배기에 공급되는 상기 압축공기의 압력이 기설정된 기준값 이하인 경우 상기 압축공기분배기에 상기 가스를 공급하도록 상기 공기공급장치와 연결되는 가스공급장치와, 상기 공기공급장치에 설치되며 상기 압축공기의 압력이 설정압력보다 낮아지는 경우 상기 압축공기의 흐름을 차단하도록 형성되는 압력릴리프밸브(pressure relief valve), 및 상기 가스공급장치에 장착되고 상기 압축공기와 상기 가스의 압력차에 의한 역류를 방지하도록 이루어지는 체크밸브(check valve)를 포함하며, 상기 압축공기분배기에 공급되는 상기 압축공기의 압력이 상기 가스의 압력보다 높은 경우 상기 압축공기는 압력릴리프밸브의 구동에 필요한 압력을 형성하여 상기 압축공기분배기에 유입되고 상기 가스의 상기 압축공기분배기로의 유입은 제한되며, 상기 압축공기분배기에 공급되는 상기 압축공기의 압력이 상기 가스의 압력 이하로 낮아지는 경우 상기 가스는 상기 압축공기분배기에 유입되어 상기 기준값 이상의 압력을 형성하고 상기 압축공기의 상기 압축공기분배기로의 유입은 제한되는 연료전지 시스템을 개시한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 연료전지에 가스를 공급하는 가스공급장치가 공기공급장치와 연결되어 공기공급장치의 이상 조건 발생시 압축공기분배기에 가스를 공급하도록 이루어지므로, 개별밸브에 공급되는 압축공기의 압력 감소 또는 공급 중단에도 연료전지 시스템은 안정적인 작동을 유지할 수 있다.
상기 구조는 통상의 연료전지 시스템에 적용되어 있는 가스 및 배관요소의 조합을 활용하고, 기계적인 제어로 구동되기 때문에 별도의 구동 기기, 제어 로직(logic) 등을 필요로 하지 않으며, 기존의 산업용 가스 절체기와 달리 가스를 고압으로 공급할 필요가 없어 고가의 압력 조절기를 필요로 하지 않는다. 또한, 제1체크밸브(또는 압력릴리프밸브)와 제2체크밸브를 통해 압축공기와 가스의 압력차에 의한 역류를 방지하도록 이루어짐으로써 보다 안정적인 작동이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 보인 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 보인 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 보인 개념도.
이하, 본 발명에 관련된 연료전지 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)을 보인 개념도이다.
도 1을 참조하면, 공기공급장치(110)는 압축공기분배기(140)에 압축공기를 공급하도록 형성된다. 기존의 연료전지 시스템(100)에서는 상기 압축공기의 압력이 감소하거나 공급이 중단되면 연료전지 시스템(100)의 작동이 중지되는 결과를 초래한다.
이를 위해 본 발명에서는 연료전지스택(130)에 가스를 공급하도록 이루어지는 가스공급장치(120)가 공기공급장치(110)와 연결되어 공기공급장치(110)의 이상 조건 발생시 압축공기분배기(140)에 가스를 공급하도록 이루어진다. 상기 이상 조건은 압축공기의 압력이 감소하거나 공급이 중단되어 압축공기분배기(140)에 공급되는 압축공기의 압력이 기설정된 기준값 이하인 경우를 의미한다.
일반적인 작동 조건에서는 압축공기분배기(140)에 공급되는 압축공기의 압력이 가스의 압력보다 높기 때문에 압축공기는 압축공기분배기(140)에 유입되어 상기 기준값 이상의 압력을 형성하고, 가스의 압축공기분배기(140)로의 유입은 제한되게 된다.
그러나 만일 이상 조건의 발생으로 압축공기의 압력이 가스의 압력보다 낮아지는 경우[즉, 압축공기분배기(140)에 공급되는 가스의 압력이 압축공기의 압력보다 높아지는 경우], 가스는 압축공기분배기(140)에 유입되어 상기 기준값 이상의 압력을 형성하며, 압축공기의 압축공기분배기(140)로의 유입은 제한되게 된다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 연료전지에 가스를 공급하는 가스공급장치(120)가 공기공급장치(110)와 연결되어 공기공급장치(110)의 이상 조건 발생시 압축공기분배기(140)에 가스를 공급하도록 이루어지므로, 개별밸브(150)에 공급되는 압축공기의 압력 감소 또는 공급 중단에도 연료전지 시스템(100)은 안정적인 작동을 유지할 수 있다.
상기 공기공급장치(110)는 공기압축기(111), 제1배관(112) 및 제1체크밸브(113)를 구비한다.
공기압축기(111)는 압축공기분배기(140)에 공급되는 압축공기를 생성한다. 공기압축기(111)는 일반적인 운전 조건에서 압축공기가 압축공기분배기(140)에 유입될 수 있도록 압축공기의 압력을 기준값 이상이 되게 한다.
제1배관(112)은 공기압축기(111)와 압축공기분배기(140)를 연결하여 공기압축기(111)에서 생성된 압축공기를 압축공기분배기(140)에 공급한다. 제1배관(112)은 어느 일 지점(112a)에서 가스공급장치(120)와 연결된다.
제1체크밸브(113)는 공기압축기(111)와 상기 일 지점(112a) 사이에 설치되며, 압축공기와 가스의 압력차에 의한 역류를 방지하도록 형성된다.
상기 가스공급장치(120)는 저장용기(121), 압력조절기(122), 제2배관(123) 및 제2체크밸브(124)를 포함한다.
저장용기(121)는 가스를 저장하고, 연료전지 시스템(100)의 작동 과정에서 필요에 따라 연료전지스택(130)에 가스를 공급한다. 상기 가스는 연료전지 시스템(100)의 Heat Up 및 Cool Down 과정 동안 연료전지스택(130)에 공급되는 가스로서, 연료전지 시스템(100)은 저장용기(121)에 가스의 일정량을 상시 구비하고 있다. 상기 가스는 비활성 기체, 예를 들어 질소를 포함할 수 있다.
압력조절기(122)는 상기 가스가 일정 수준 이상의 압력으로 연료전지스택(130)에 공급될 수 있도록 상기 가스의 압력을 제어한다.
제2배관(123)은 저장용기(121)와 제1배관(112)의 상기 어느 일 지점(112a)을 연결하여 저장용기(121)에 저장된 가스를 이상 조건의 발생시 압축공기분배기(140)에 공급하도록 이루어진다. 제2배관(123)은 저장용기(121)와 연료전지스택(130)을 연결하는 배관이 확장되어 제1배관(112)과 연결된 형태로 이해될 수 있다.
제2체크밸브(124)는 압력조절기(122)와 상기 어느 일 지점(112a) 사이에 설치되고, 압축공기와 가스의 압력차에 의한 역류를 방지하도록 형성된다. 제1배관(112)에 설치되는 제1체크밸브(113)와 제2배관(123)에 설치되는 제2체크밸브(124)에 의해 압축공기 및 가스의 역류나 외부로의 누출은 억제된다.
압축공기분배기(140)는 상기 압축공기 또는 상기 가스를 개별밸브(150)에 공급하도록 이루어진다. 개별밸브(150)는, 예를 들어 동작 반응 속도가 빠르고, 제어성이 우수하며, 다양한 가스에 적용할 수 있는 공기밸브가 될 수 있다.
압축공기분배기(140)와 개별밸브(150) 사이에는 필요에 따라 압력조절기(160)가 설치될 수 있다. 압력조절기(160)는 상기 압축공기 또는 상기 가스의 개별밸브(150)로의 공급압력을 보다 정밀히 제어하도록 이루어진다.
상기 구조는 통상의 연료전지 시스템에 적용되어 있는 가스 및 배관요소의 조합을 활용하고, 기계적인 제어로 구동되기 때문에 별도의 구동 기기, 제어 로직(logic), 통신 수단 등을 필요로 하지 않으며, 기존의 산업용 가스 절체기와 달리 가스를 고압으로 공급할 필요가 없어 고가의 압력 조절기를 필요로 하지 않는다. 또한, 제1체크밸브(113)와 제2체크밸브(124)를 통해 압축공기와 가스의 압력차에 의한 역류를 방지하도록 이루어짐으로써 보다 안정적인 작동이 가능하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)을 보인 개념도이다. 이하, 설명되는 본 발명의 다른 실시예에서 앞선 실시예와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.
도 2를 참조하면, 공기공급장치(210)에는 압력릴리프밸브(pressure relief valve, 213)가 설치된다. 압력릴리프밸브(213)는 일종의 압력 스위치로서, 압력릴리프밸브(213)를 통과하는 압축공기의 압력이 설정압력보다 낮아지는 경우 압축공기의 흐름을 차단하도록 이루어진다.
이상 조건의 발생으로 압축공기의 압력이 낮아지면 압력릴리프밸브(213)가 닫힘으로써 압축공기의 공급이 중단되며, 가스는 압축공기분배기(240)에 유입되어 상기 기준값 이상의 압력을 형성한다. 이때, 압력릴리프밸브(213)는 닫힘 상태이기 때문에 가스가 공기압축기(211)로 유입되거나 외부로 누설되지 않는다.
이상에서 설명한 연료전지 시스템은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
Claims (8)
- 압축공기분배기에 압축공기를 공급하도록 형성되는 공기공급장치; 및
연료전지스택에 가스를 공급하도록 이루어지고, 상기 압축공기분배기에 공급되는 상기 압축공기의 압력이 기설정된 기준값 이하인 경우 상기 압축공기분배기에 상기 가스를 공급하도록 상기 공기공급장치와 연결되는 가스공급장치를 포함하며,
상기 압축공기분배기에 공급되는 상기 압축공기의 압력이 상기 가스의 압력보다 높은 경우 상기 압축공기는 상기 압축공기분배기에 유입되어 상기 기준값 이상의 압력을 형성하고 상기 가스의 상기 압축공기분배기로의 유입은 제한되며,
상기 압축공기분배기에 공급되는 상기 압축공기의 압력이 상기 가스의 압력 이하로 낮아지는 경우 상기 가스는 상기 압축공기분배기에 유입되어 상기 기준값 이상의 압력을 형성하고 상기 압축공기의 상기 압축공기분배기로의 유입은 제한되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 공기공급장치는,
상기 압축공기를 형성하는 공기압축기;
상기 공기압축기와 상기 압축공기분배기를 연결하고, 어느 일 지점에서 상기 가스공급장치와 연결되는 제1배관; 및
상기 공기압축기와 상기 일 지점 사이에 설치되며, 상기 압축공기와 상기 가스의 압력차에 의한 역류를 방지하도록 형성되는 제1체크밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제 2항에 있어서,
상기 가스공급장치는,
상기 가스를 저장하는 저장용기;
상기 가스의 상기 연료전지스택으로의 공급압력을 제어하도록 이루어지는 압력조절기;
상기 저장용기와 제1배관의 상기 어느 일 지점을 연결하는 제2배관; 및
상기 압력조절기와 상기 어느 일 지점 사이에 설치되고, 상기 압축공기와 상기 가스의 압력차에 의한 역류를 방지하도록 이루어지는 제2체크밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 가스는 상기 연료전지 시스템의 Heat Up 및 Cool Down 과정 동안 상기 연료전지스택에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제 4항에 있어서,
상기 가스는 비활성 기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 압축공기분배기는 상기 압축공기 또는 상기 가스를 개별밸브에 공급하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제 6항에 있어서,
상기 압축공기분배기와 상기 개별밸브 사이에는 상기 압축공기 또는 상기 가스의 상기 개별밸브로의 공급압력을 제어하도록 이루어지는 압력조절기가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 압축공기분배기에 압축공기를 공급하도록 형성되는 공기공급장치;
연료전지스택에 가스를 공급하도록 이루어지고, 상기 압축공기분배기에 공급되는 상기 압축공기의 압력이 기설정된 기준값 이하인 경우 상기 압축공기분배기에 상기 가스를 공급하도록 상기 공기공급장치와 연결되는 가스공급장치;
상기 공기공급장치에 설치되며, 상기 압축공기의 압력이 설정압력보다 낮아지는 경우 상기 압축공기의 흐름을 차단하도록 형성되는 압력릴리프밸브(pressure relief valve); 및
상기 가스공급장치에 장착되고, 상기 압축공기와 상기 가스의 압력차에 의한 역류를 방지하도록 이루어지는 체크밸브(check valve)를 포함하며,
상기 압축공기분배기에 공급되는 상기 압축공기의 압력이 상기 가스의 압력보다 높은 경우 상기 압축공기는 압력릴리프밸브의 구동에 필요한 압력을 형성하여 상기 압축공기분배기에 유입되고 상기 가스의 상기 압축공기분배기로의 유입은 제한되며,
상기 압축공기분배기에 공급되는 상기 압축공기의 압력이 상기 가스의 압력 이하로 낮아지는 경우 상기 가스는 상기 압축공기분배기에 유입되어 상기 기준값 이상의 압력을 형성하고 상기 압축공기의 상기 압축공기분배기로의 유입은 제한되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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| JP2005032650A (ja) | 2003-07-09 | 2005-02-03 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2009127633A (ja) | 2007-11-19 | 2009-06-11 | Nissan Motor Co Ltd | 開閉弁、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 |
| KR20090070872A (ko) * | 2007-12-27 | 2009-07-01 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지 시스템 및 그 스택 퍼지 방법 |
-
2011
- 2011-12-30 KR KR1020110147790A patent/KR101416908B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH0652665B2 (ja) * | 1986-11-05 | 1994-07-06 | 株式会社日立製作所 | 燃料電池運転法 |
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| Publication number | Publication date |
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| KR20130078697A (ko) | 2013-07-10 |
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