KR101442552B1 - 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101442552B1
KR101442552B1 KR1020120014987A KR20120014987A KR101442552B1 KR 101442552 B1 KR101442552 B1 KR 101442552B1 KR 1020120014987 A KR1020120014987 A KR 1020120014987A KR 20120014987 A KR20120014987 A KR 20120014987A KR 101442552 B1 KR101442552 B1 KR 101442552B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
temperature
fuel cell
catalytic combustor
flow rate
air flow
Prior art date
Application number
KR1020120014987A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130093405A (ko
Inventor
김성훈
윤좌문
김태희
이기풍
이태원
Original Assignee
두산중공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 두산중공업 주식회사 filed Critical 두산중공업 주식회사
Priority to KR1020120014987A priority Critical patent/KR101442552B1/ko
Publication of KR20130093405A publication Critical patent/KR20130093405A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101442552B1 publication Critical patent/KR101442552B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04373—Temperature; Ambient temperature of auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14—Fuel cells with fused electrolytes
    • H01M8/144—Fuel cells with fused electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/145—Fuel cells with fused electrolytes characterised by the electrolyte material comprising carbonates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14—Fuel cells with fused electrolytes
    • H01M2008/147—Fuel cells with molten carbonates
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 명세서는 연료 전지 시스템의 온도가 상승할 때 연료 전지 시스템의 온도를 제어함으로써 연료 전지 시스템(연료 전지 스택을 포함)을 보호하고 안정적으로 운영할 수 있는 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 장치는, 연료 전지 애노드에 연결된 믹서와; 상기 믹서와 연료 전지 캐소드 사이에 연결된 촉매 연소기와; 상기 촉매 연소기의 전단 및 후단의 온도를 검출하는 온도 검출부와; 상기 검출된 온도를 근거로, 상기 믹서 및 상기 촉매 연소기에 인가될 공기 유량을 증가 또는 감소시키기 위한 제어 신호를 발생하는 제어부와; 공기를 공급하는 공기 공급부와; 상기 제어 신호를 근거로 상기 공기 공급부로부터 공급된 공기의 유량을 상기 믹서 및 상기 촉매 연소기에 분배하는 공기 유량 분배기를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법{CONTROL APPARATUS FOR FUEL CELL SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 명세서는 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 수소와 산소를 이용하여 물과 전기를 생성하게 된다. 연료 전지의 작동 원리는 애노드(Anode)에서 전자와 이온이 생성되어 전자는 외부 회로를 통해 전기를 공급하게 되며, 이온은 전해질을 통해 캐소드 (Cathode)로 이동하게 된다.
반면, 연료전지의 연료로 쓰이는 수소는 그 자체로 얻기는 어렵기 때문에 수소화합물을 개질하여 이용한다. 즉, 연료전지의 연료로서 탄소와 수소의 화합물인 화석연료가 사용된다. 종래 기술에 따른 연료전지는 한국 특허 출원번호 10-2006-0117082에도 개시되어 있다.
본 명세서는 연료 전지 시스템의 온도가 상승할 때 연료 전지 시스템의 온도를 제어함으로써 연료 전지 시스템(연료 전지 스택을 포함)을 보호하고 안정적으로 운영할 수 있는 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 장치는, 연료 전지 애노드에 연결된 믹서와; 상기 믹서와 연료 전지 캐소드 사이에 연결된 촉매 연소기와; 상기 촉매 연소기의 전단 및 후단의 온도를 검출하는 온도 검출부와; 상기 검출된 온도를 근거로, 상기 믹서 및 상기 촉매 연소기에 인가될 공기 유량을 증가 또는 감소시키기 위한 제어 신호를 발생하는 제어부와; 공기를 공급하는 공기 공급부와; 상기 제어 신호를 근거로 상기 공기 공급부로부터 공급된 공기의 유량을 상기 믹서 및 상기 촉매 연소기에 분배하는 공기 유량 분배기를 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 온도 검출부는, 상기 촉매 연소기의 전단의 온도를 검출하는 제1 온도 검출기와; 상기 촉매 연소기의 후단의 온도를 검출하는 제2 온도 검출기와; 상기 연료 전지 스택의 온도를 검출하는 제3 온도 검출기를 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 공기 공급부에서 출력되는 메인 공기 유량을 검출하고, 상기 메인 공기 유량에 대응하는 값을 상기 제어부에 출력하는 제1 공기 유량계와; 상기 믹서에 인가되는 제1 공기 유량을 검출하고, 상기 제1 공기 유량에 대응하는 값을 상기 제어부에 출력하는 제2 공기 유량계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 연료 전지 스택의 온도가 미리 설정된 온도를 초과하면, 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 미리 설정된 온도까지 하락하도록 상기 믹서에 인가되는 제1 공기 유량과 상기 촉매 연소기에 인가되는 제2 공기 유량을 증가시킬 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 미리 설정된 온도 미만이면, 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 미리 설정된 온도까지 상승하도록 상기 믹서에 인가되는 제1 공기 유량과 상기 촉매 연소기에 인가되는 제2 공기 유량을 감소시킬 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 촉매 연소기의 전단 온도가 제1 기준 온도 미만이면, 상기 촉매 연소기의 전단 온도가 상기 제1 기준 온도까지 상승하도록 상기 믹서에 인가되는 제1 공기 유량을 감소시킬 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 촉매 연소기의 전단 온도가 상기 제1 기준 온도를 초과하면, 상기 촉매 연소기의 전단 온도가 상기 제1 기준 온도까지 하락하도록 상기 믹서에 인가되는 제1 공기 유량을 증가시킬 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 촉매 연소기의 후단 온도가 제2 기준 온도를 초과하면, 상기 촉매 연소기의 후단 온도가 상기 제2 기준 온도까지 하락하도록 상기 촉매 연소기에 인가되는 제2 공기 유량을 증가시킬 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 촉매 연소기의 후단 온도가 상기 제2 기준 온도 미만이면, 상기 촉매 연소기의 후단 온도가 상기 제2 기준 온도까지 상승하도록 상기 촉매 연소기에 인가되는 제2 공기 유량을 감소시킬 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 연료 전지 애노드에 연결된 믹서와, 상기 믹서와 연료 전지 캐소드 사이에 연결된 촉매 연소기를 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 촉매 연소기의 전단 및 후단의 온도를 검출하는 단계와; 상기 검출된 온도를 근거로, 상기 믹서 및 상기 촉매 연소기에 인가될 공기 유량을 증가 또는 감소시키기 위한 제어 신호를 발생하는 단계와; 상기 제어 신호를 근거로 공기 공급부로부터 공급된 공기의 유량을 상기 믹서 및 상기 촉매 연소기에 분배하는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법은, 연료 전지 스택의 부하 변동, 연료 이용률 및 비정상 기동에 따른 불안정한 열변화 등에 의해 연료 전지 시스템의 온도가 상승할 때, 연료 전지 스택, 촉매 연소기의 전단 및 후단의 온도를 제어함으로써 연료 전지 시스템(연료 전지 스택을 포함)을 보호하고 안정적으로 운영할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법은, 연료 전지 시스템(연료 전지 스택을 포함)을 급격한 온도 상승으로부터 보호하고 안정적으로 운영함으로써, 연료 전지 스택 및 BOP 수명 증대 및 그로 인한 연료 전지 시스템의 수명을 증대 시킬 수도 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템의 제어 장치의 구성을 나타낸 구성도 이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도 이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도 이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)와 같은 고온형 연료 전지일 수 있으며, 상기 용융탄산염 연료 전지의 열관리를 실패할 경우 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템의 성능 및 수명을 감소 시킬 수 있다. 따라서, 연료 전지 스택 내에서 최적화된 성능을 도출하기 위해서는 해당 연료 전지 스택의 최적 온도를 유지하는 것이 중요하다. 예를 들면, 용융탄산염 연료전지 스택은 고온(예를 들면, 650℃ 이상)에서 운전되며, 운전 중 항상 연료 전지 스택의 평균 온도가 정상 운전 온도(예를 들면, 650℃) 근처를 유지해야만 안정적인 운전과 더불어 좋은 성능을 기대할 수 있다.
연료 전지의 부하를 증가시킬 경우 통상적으로 정상 운전(Steady State) 보다 낮은 연료 이용률(Utilization of Fuel)을 선택하여 안정적으로 연료 전지 스택에 연료를 공급하는 방법이 사용되며, 이는 미사용된 많은 연료를 촉매 연소기와 같은 장치를 통해 열량을 회수하게 된다. 이때, 다량의 미반응된 연료가 촉매 연소기를 통과할 경우 높은 온도의 가스가 발생하게 되며, 이는 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템의 성능 저하의 원인이 된다. 또한, 연료 이용률이 낮은 조건에서 운전할 경우에도 미반응된 연료의 양이 증가되어 촉매 연소기의 온도 증가의 원인이 된다. 상기 연료 이용률은 부하의 증감, 운전자에 의한 변경, 조성의 변화, 주변장치(BOP:Balance of Plant) 등에 의해 변할 수 있다.
또한, 전력 계통의 이상 및 정전, 유량 제어 실패 등에 의해 연료 전지의 애노드(Anode)에서 발생된 과량의 미반응된 수소 및 탄화수소화합물이 일부가 촉매 연소기를 통해 캐소드(Cathode)에 공급될 경우 급격한 온도 상승을 초래하게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법은, 연료 전지 스택의 부하 변동, 연료 이용률 및 비정상 기동에 따른 불안정한 열변화 등에 의해 연료 전지 시스템의 온도가 상승할 때, 연료 전지 스택, 촉매 연소기의 전단 및 후단의 온도를 제어함으로써 연료 전지 시스템(연료 전지 스택을 포함)을 보호하고 안정적으로 운영할 수 있는 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템의 제어 장치의 구성을 나타낸 구성도 이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템의 제어 장치(100)는, 연료 전지 애노드(Anode)에 연결된 믹서(Mixer)(110)와; 상기 믹서(110)와 연료 전지 캐소드(Cathode) 사이에 연결된 촉매 연소기(120)와; 상기 촉매 연소기의 전단 및 후단의 온도를 검출하는 온도 검출부(150)와; 상기 검출된 온도를 근거로, 상기 믹서(110) 및 상기 촉매 연소기(120)에 인가될 공기 유량을 증가 또는 감소시키기 위한 제어 신호를 발생하는 제어부(160)와; 공기를 공급하는 공기 공급부(130)와; 상기 제어 신호를 근거로 상기 공급된 공기의 유량을 상기 믹서 및 상기 촉매 연소기에 분배하는 공기 유량 분배기(140)를 포함한다.
상기 온도 검출부(150)는, 상기 촉매 연소기(120)의 전단(입구)의 온도를 검출하는 제1 온도 검출기(T1)와; 상기 촉매 연소기(120)의 후단(출구)의 온도를 검출하는 제2 온도 검출기(T2)를 포함하며, 상기 연료 전지 스택의 온도를 검출하는 제3 온도 검출기(T3)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템의 제어 장치(100)는, 상기 공기 공급부(130)에서 출력되는 메인 공기 유량을 검출하고, 그 메인 공기 유량에 대응하는 값을 상기 제어부(160)에 출력하는 제1 공기 유량계(Flow Transmitter, FT)(FT1)와; 상기 믹서(110)에 인가되는 제1 공기 유량을 검출하고, 그 제1 공기 유량에 대응하는 값을 상기 제어부(160)에 출력하는 제2 공기 유량계(Flow Transmitter, FT)(FT2)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도 이다.
먼저, 상기 연료 전지는 공급된 연료(예를 들면, 산소 및 연료 가스(예를 들면, 천연가스, 수소, 탄화수소화합물 등))를 이용하여 전력을 생산한다.
상기 믹서(Mixer)(110)는 상기 연료 전지가 운전될 때 상기 연료 전지의 애노드에서 발생되는 배출 가스를 촉매 연소기(120)에 인가한다.
상기 촉매 연소기(120)는 상기 배출 가스(미반응된 연료를 포함함)를 산화하고, 그 산화된 배출 가스를 상기 연료 전지의 캐소드(Cathode)에 인가한다. 이때, 상기 연료 전지의 애노드(Anode)에서 발생된 과량의 미반응된 수소 및 탄화수소화합물의 일부가 상기 촉매 연소기(120)를 통해 상기 캐소드(Cathode)에 공급될 경우 급격한 온도 상승을 초래하게 된다.
상기 온도 검출부(150)는 상기 연료 전지 스택의 온도를 검출하고, 그 검출된 연료 전지 스택 온도를 상기 제어부(160)에 출력한다(S11).
상기 제어부(160)는 상기 연료 전지 스택의 온도가 미리 설정된 온도(설정 온도)를 초과했는지를 판단한다(S12). 예를 들면, 상기 제어부(160)는 상기 제3 온도 검출기(T3)로부터 출력된 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 미리 설정된 온도를 초과했는지를 판단한다. 상기 미리 설정된 온도는 연료 전지의 종류에 따라 변경되거나 설계자의 의도에 따라 변경될 수 있다.
상기 제어부(160)는 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 미리 설정된 온도를 초과하면, 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 미리 설정된 온도까지 하락하도록 상기 공기 공급부(130)의 총 공기 유량을 증가시킨다(S13). 예를 들면, 상기 제어부(160)는 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 미리 설정된 온도를 초과하면, 상기 공기 유량 분배기(140)를 통해 상기 제1 공기 유량 및 상기 제2 공기 유량을 증가시킨다.
반면, 상기 제어부(160)는 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 미리 설정된 온도 미만이면(S14), 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 미리 설정된 온도까지 상승하도록 상기 공기 공급부(130)의 총 공기 유량을 감소시킨다(S15). 예를 들면, 상기 제어부(160)는 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 미리 설정된 온도 미만이면, 상기 공기 유량 분배기(140)를 통해 상기 제1 공기 유량 및 상기 제2 공기 유량을 감소시킨다.
따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법은, 연료 전지 스택의 부하 변동, 연료 이용률 및 비정상 기동에 따른 불안정한 열변화 등에 의해 연료 전지 시스템의 온도가 상승할 때, 연료 전지 스택의 온도를 제어함으로써 연료 전지 시스템(연료 전지 스택을 포함)을 보호하고 안정적으로 운영할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도 이다.
먼저, 상기 연료 전지는 공급된 연료를 이용하여 전력을 생산한다.
상기 믹서(Mixer)(110)는 상기 연료 전지가 운전될 때 상기 연료 전지의 애노드에서 발생되는 배출 가스를 촉매 연소기(120)에 인가한다.
상기 촉매 연소기(120)는 상기 배출 가스(미반응된 연료를 포함함)를 산화하고, 그 산화된 배출 가스를 상기 연료 전지의 캐소드(Cathode)에 인가한다. 이때, 상기 연료 전지의 애노드(Anode)에서 발생된 과량의 미반응된 수소 및 탄화수소화합물의 일부가 상기 촉매 연소기(120)를 통해 상기 캐소드(Cathode)에 공급될 경우 급격한 온도 상승을 초래하게 된다.
상기 온도 검출부(150)는 상기 촉매 연소기(120)의 온도(촉매 연소기(120)의 전단 및 후단 온도를 포함)를 검출하고, 그 검출된 촉매 연소기(120)의 온도를 상기 제어부(160)에 출력한다(S21). 예를 들면, 상기 제1 온도 검출기(T1)는 상기 촉매 연소기(120)의 전단 온도를 검출하고, 상기 제2 온도 검출기(T2)는 상기 촉매 연소기(120)의 후단 온도를 검출한다.
상기 제어부(160)는 상기 촉매 연소기(120)의 전단 온도가 제1 기준 온도(예를 들면, 280도) 미만인지를 판단한다(S22). 예를 들면, 상기 제어부(160)는 상기 제1 온도 검출기(T1)로부터 출력된 상기 촉매 연소기(120)의 전단 온도가 제1 기준 온도 미만인지를 판단한다. 상기 제1 기준 온도는 촉매 연소기의 종류에 따라 변경되거나 설계자의 의도에 따라 변경될 수 있다.
상기 제어부(160)는 상기 연료 전지 시스템의 촉매 연소기(120)의 전단 온도가 제1 기준 온도(예를 들면, 280도) 미만이면, 상기 촉매 연소기(120)의 전단 온도가 상기 제1 기준 온도(예를 들면, 280도)까지 상승하도록 상기 제1 공기 유량을 감소시킨다(S23). 예를 들면, 상기 제어부(160)는 상기 촉매 연소기(120)의 전단 온도가 상기 제1 기준 온도 미만이면, 상기 공기 유량 분배기(140)를 통해 상기 제1 공기 유량을 감소시킨다.
상기 제어부(160)는 상기 연료 전지 시스템의 촉매 연소기(120)의 전단 온도가 제1 기준 온도(예를 들면, 280도)를 초과하면, 상기 촉매 연소기(120)의 전단 온도가 상기 제1 기준 온도(예를 들면, 280도)까지 하락하도록 상기 제1 공기 유량을 증가시킨다(S24). 예를 들면, 상기 제어부(160)는 상기 촉매 연소기(120)의 전단 온도가 상기 제1 기준 온도를 초과하면, 상기 공기 유량 분배기(140)를 통해 상기 제1 공기 유량을 증가시킨다. 이때, 상기 제1 공기 유량이 증가함에 따라 상기 제2 공기 유량은 감소된다.
상기 제어부(160)는 상기 연료 전지 시스템의 촉매 연소기(120)의 후단 온도가 제2 기준 온도(예를 들면, 650도)를 초과하면, 상기 촉매 연소기(120)의 후단 온도가 상기 제2 기준 온도까지 하락하도록 상기 제2 공기 유량을 증가시킨다(S26). 예를 들면, 상기 제어부(160)는 상기 촉매 연소기(120)의 후단 온도가 상기 제2 기준 온도를 초과하면, 상기 공기 유량 분배기(140)를 통해 상기 제2 공기 유량을 증가시킨다. 이때, 상기 제2 공기 유량이 증가함에 따라 상기 제1 공기 유량은 감소된다.
상기 제어부(160)는 상기 연료 전지 시스템의 촉매 연소기(120)의 후단 온도가 제2 기준 온도(예를 들면, 650도) 미만이면, 상기 촉매 연소기(120)의 후단 온도가 상기 제2 기준 온도까지 상승하도록 상기 제2 공기 유량을 감소시킨다(S27). 예를 들면, 상기 제어부(160)는 상기 촉매 연소기(120)의 후단 온도가 상기 제2 기준 온도 미만이면, 상기 공기 유량 분배기(140)를 통해 상기 제2 공기 유량을 감소시킨다.
따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법은, 연료 전지 스택의 부하 변동, 연료 이용률 및 비정상 기동에 따른 불안정한 열변화 등에 의해 연료 전지 시스템의 온도가 상승할 때, 촉매 연소기의 전단 및 후단의 온도를 제어함으로써 연료 전지 시스템(연료 전지 스택을 포함)을 보호하고 안정적으로 운영할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법은, 연료 전지 스택의 부하 변동, 연료 이용률 및 비정상 기동에 따른 불안정한 열변화 등에 의해 연료 전지 시스템의 온도가 상승할 때, 연료 전지 스택, 촉매 연소기의 전단 및 후단의 온도를 제어함으로써 연료 전지 시스템(연료 전지 스택을 포함)을 보호하고 안정적으로 운영할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법은, 연료 전지 시스템(연료 전지 스택을 포함)을 급격한 온도 상승으로부터 보호하고 안정적으로 운영함으로써, 연료 전지 스택 및 BOP 수명 증대 및 그로 인한 연료 전지 시스템의 수명을 증대 시킬 수도 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 믹서 120: 촉매 연소기
130: 공기 공급부 140: 공기 유량 분배기
150: 온도 검출부 160: 제어부

Claims (10)

  1. 연료 전지 애노드에 연결된 믹서와;
    상기 믹서와 연료 전지 캐소드 사이에 연결된 촉매 연소기와;
    상기 촉매 연소기의 전단 및 후단의 온도를 검출하는 온도 검출부와;
    상기 검출된 온도를 근거로, 상기 믹서 및 상기 촉매 연소기에 인가될 공기 유량을 증가 또는 감소시키기 위한 제어 신호를 발생하는 제어부와;
    공기를 공급하는 공기 공급부와;
    상기 제어 신호를 근거로 상기 공기 공급부로부터 공급된 공기의 유량을 상기 믹서 및 상기 촉매 연소기에 분배하는 공기 유량 분배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 온도 검출부는,
    상기 촉매 연소기의 전단의 온도를 검출하는 제1 온도 검출기와;
    상기 촉매 연소기의 후단의 온도를 검출하는 제2 온도 검출기와;
    상기 연료 전지 스택의 온도를 검출하는 제3 온도 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공기 공급부에서 출력되는 메인 공기 유량을 검출하고, 상기 메인 공기 유량에 대응하는 값을 상기 제어부에 출력하는 제1 공기 유량계와;
    상기 믹서에 인가되는 제1 공기 유량을 검출하고, 상기 제1 공기 유량에 대응하는 값을 상기 제어부에 출력하는 제2 공기 유량계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    연료 전지 스택의 온도가 미리 설정된 온도를 초과하면, 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 미리 설정된 온도까지 하락하도록 상기 믹서에 인가되는 제1 공기 유량과 상기 촉매 연소기에 인가되는 제2 공기 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 미리 설정된 온도 미만이면, 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 미리 설정된 온도까지 상승하도록 상기 믹서에 인가되는 제1 공기 유량과 상기 촉매 연소기에 인가되는 제2 공기 유량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 촉매 연소기의 전단 온도가 제1 기준 온도 미만이면, 상기 촉매 연소기의 전단 온도가 상기 제1 기준 온도까지 상승하도록 상기 믹서에 인가되는 제1 공기 유량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 촉매 연소기의 전단 온도가 상기 제1 기준 온도를 초과하면, 상기 촉매 연소기의 전단 온도가 상기 제1 기준 온도까지 하락하도록 상기 믹서에 인가되는 제1 공기 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 제어 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 촉매 연소기의 후단 온도가 제2 기준 온도를 초과하면, 상기 촉매 연소기의 후단 온도가 상기 제2 기준 온도까지 하락하도록 상기 촉매 연소기에 인가되는 제2 공기 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 제어 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 촉매 연소기의 후단 온도가 제2 기준 온도 미만이면, 상기 촉매 연소기의 후단 온도가 상기 제2 기준 온도까지 상승하도록 상기 촉매 연소기에 인가되는 제2 공기 유량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 제어 장치.
  10. 연료 전지 애노드에 연결된 믹서와, 상기 믹서와 연료 전지 캐소드 사이에 연결된 촉매 연소기를 포함하는 연료 전지 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 촉매 연소기의 전단 및 후단의 온도를 검출하는 단계와;
    상기 검출된 온도를 근거로, 상기 믹서 및 상기 촉매 연소기에 인가될 공기 유량을 증가 또는 감소시키기 위한 제어 신호를 발생하는 단계와;
    상기 제어 신호를 근거로 공기 공급부로부터 공급된 공기의 유량을 상기 믹서 및 상기 촉매 연소기에 분배하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
KR1020120014987A 2012-02-14 2012-02-14 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법 KR101442552B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120014987A KR101442552B1 (ko) 2012-02-14 2012-02-14 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120014987A KR101442552B1 (ko) 2012-02-14 2012-02-14 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130093405A KR20130093405A (ko) 2013-08-22
KR101442552B1 true KR101442552B1 (ko) 2014-09-23

Family

ID=49217717

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120014987A KR101442552B1 (ko) 2012-02-14 2012-02-14 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101442552B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101451839B1 (ko) * 2012-12-18 2014-10-16 두산중공업 주식회사 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002093449A (ja) 2000-09-12 2002-03-29 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2005166439A (ja) 2003-12-02 2005-06-23 Tokyo Gas Co Ltd 燃料電池システムと、その起動方法
JP2006164953A (ja) 2004-11-10 2006-06-22 Central Res Inst Of Electric Power Ind 高温形燃料電池の燃料供給系統及び高温形燃料電池設備
KR100802283B1 (ko) 2006-09-01 2008-02-11 두산중공업 주식회사 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002093449A (ja) 2000-09-12 2002-03-29 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2005166439A (ja) 2003-12-02 2005-06-23 Tokyo Gas Co Ltd 燃料電池システムと、その起動方法
JP2006164953A (ja) 2004-11-10 2006-06-22 Central Res Inst Of Electric Power Ind 高温形燃料電池の燃料供給系統及び高温形燃料電池設備
KR100802283B1 (ko) 2006-09-01 2008-02-11 두산중공업 주식회사 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130093405A (ko) 2013-08-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2978056B1 (en) Fuel cell system and control method therefor
US20080124596A1 (en) Feedback-based control of a PEM fuel cell for high temperature protection
JP5389090B2 (ja) 燃料電池システム
US9601792B2 (en) Fuel cell system and method for driving same
JP2007220620A (ja) 燃料電池発電装置
EP2978055B1 (en) Fuel-cell system and method for controlling fuel-cell system
JP2011165636A (ja) 並列型燃料電池電力システム
JP2008103198A (ja) 固体酸化物形燃料電池発電システムとその運転制御方法
JP2007220625A (ja) 燃料電池システム
KR101442552B1 (ko) 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 방법
US8771890B2 (en) Fuel supply control method and system for fuel cells
KR101510066B1 (ko) 연료전지 어셈블리 및 제어 방법
KR20120056818A (ko) 고온의 ｐｅｍ 연료 전지에서 전극 부식의 완화
KR102603061B1 (ko) 연료전지의 발전전력 제어시스템 및 제어방법
JP7244400B2 (ja) 燃料電池システムおよびその制御方法
KR101463437B1 (ko) 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치 및 그 방법
JP2006049182A (ja) 燃料電池システム
KR101352199B1 (ko) 연료전지 출력 안정화 장치
JP7010616B2 (ja) 燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法
KR101489643B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법
KR101451839B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법
JPH01134869A (ja) 燃料電池発電設備およびその運転方法
JP2015220113A (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法
JP2015072735A (ja) 燃料電池システム
JP2008262786A (ja) 燃料電池発電システム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170621

Year of fee payment: 4