KR101459444B1 - 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법 - Google Patents

Abstract

연료 전지 시스템이 개시된다. 개시된 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급원과, 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급원을 포함하며, 공기 공급원은 기압 차에 의해 공기의 흐름을 형성하는 외기를 연료 전지 스택으로 공급할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 운전 방법 {FUEL CELL SYSTEM AND OPERATING METHOD OF THE SAME}

본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다양한 분야에서 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템은 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로 이루어진다.

예를 들면, 연료 전지 시스템은 연료 전지 발전소 또는 공공 주택이나 공장 등에서 전력을 생산하며, 차량, 선박, 기차, 비행기 등에서 전기 모터와 같은 구동원을 구동시키는데 사용하고 있다.

이러한 연료 전지 시스템은 연료 전지들의 전기 발생 집합체로 이루어진 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급원과, 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급원을 구비하고 있다.

상기에서 공기 공급원은 고전압의 배터리로부터 전원을 인가받아 구동하며 대기 중의 공기를 연료 전지 스택으로 공급하는 공기 블로워를 구비하고 있다.

이와같은 공기 블로워는 일 예로서 공기 블로워 제어기에 의해 전원을 공급받게 되는데, 양방향 컨버터(BHDC 또는 양방향 DC-DC 컨버터)를 통해 메인 배터리의 전원을 400V로 승압하고 그 승압된 전원을 공기 블로워 제어기에 공급함으로써 작동될 수 있다.

한편, 연료 전지 시스템의 공기 공급원은 앞서 설명한 바와 같은 공기 블로워와 유량계를 포함하며, 사용자가 필요한 전기량을 입력하면 연료 전지는 유량계에 의해 필요한 공기 유량만큼 공기 블로워를 통하여 공기를 제공받아 전기를 생산하게 된다.

또는 사용자가 필요한 전기량을 입력하면 연료 전지를 통해 일단 전기를 먼저 생산한 후에 유량계를 통해 필요한 공기 유량을 연료 전지에 공급하여 전기를 생산하게 된다.

다른 한편으로, 연료 전지의 효율은 (연료전지 생산 전력-기생전력)/(사용한 수소 에너지)에 의해 계산될 수 있다. 여기서 기생 전력은 연료 전지가 전기를 생산하기 위해 소모하는 전력으로 정의할 수 있는데, 이러한 기생 전력의 대부분은 공기를 연료 전지 스택으로 공급하는 공기 블로워가 차지한다.

따라서, 연료 전지 시스템에서는 공기 블로워의 소모 전력을 줄이면 전체 시스템의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들은 기압의 차이에 의해 공기 흐름을 형성하는 자연 외기를 이용하여 연료 전지로 공기를 공급할 수 있도록 한 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급원과, 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급원을 포함하며, 상기 공기 공급원은 기압 차에 의해 공기의 흐름을 형성하는 외기를 상기 연료 전지 스택으로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기 공급원은 자연 바람, 운송수단의 주행풍, 공조 시스템의 송풍 바람을 상기 연료 전지 스택으로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기 공급원은 외기를 상기 연료 전지 스택으로 유도하는 유도수단을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기 공급원은 외기의 공급 유량을 측정하는 유량계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기 공급원은 전기 에너지를 인가받아 구동하는 공기 블로워를 더 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법은, ⅰ)기압 차에 의해 공기의 흐름을 형성하는 외기를 상기 연료 전지 스택으로 공급하고, ⅱ)상기 연료 전지 스택으로 유입되는 공기의 유량을 측정하며, ⅲ)상기 공기 공급 유량에 기인한 연료 전지 스택의 전기 발생량을 산출하고, ⅳ)상기 연료 전지 스택의 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기를 생산할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 운전 방법은, 자연 바람, 운송수단의 주행풍, 공조 시스템의 송풍 바람을 상기 연료 전지 스택으로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 운전 방법은, 전기 에너지를 인가받아 구동하는 공기 블로워를 통해 상기 연료 전지 스택으로 공기를 공급할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 자연 바람, 운송수단의 주행풍, 공조 시스템의 송풍 바람과 같이 기압 차에 의해 공기의 흐름을 형성하는 자연 외기를 연료 전지 스택으로 자연 공급할 수 있으므로, 공기를 연료 전지 스택으로 공급하는데 소모되는 기생 전력을 효과적으로 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지에서 생산되는 전기를 사용하여 공기를 연료 전지 스택으로 공급하는 공기 블로워 또는 컴프레셔를 삭제할 수 있으므로, 연료 전지의 효율을 향상시킬 수 있으며, 전체 시스템의 부품비를 절감할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 연료전지 발전소, 공공 건물의 발전 시스템, 차량의 전력 발전 등 다양한 산업 분야 및 공공 분야에 적용할 수도 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료인 수소와 산화제인 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템으로 구성될 수 있다.

예를 들면, 본 발명의 실시예에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 발전소 또는 공공 주택이나 공장 등에서 전력을 생산하며, 차량, 선박, 기차, 비행기 등에서 전기 에너지를 이용하여 전기 모터와 같은 구동원을 구동시키는데 사용하고 있다.

이 중에서 연료 전지 차량에는 연료 전지 시스템(100)에서 생산되는 전기를 충전하며 전기 모터에 전원을 인가하여 구동시키는 고전압 배터리(대략 200V)를 포함하고 있다.

상기와 같은 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지들의 적층된 연료 전지 스택(10)과, 연료 전지 스택(10)으로 수소 가스와 같은 연료를 공급하는 연료 공급원(30)과, 연료 전지 스택(10)으로 공기를 공급하는 공기 공급원(50)을 구비하고 있다.

상기 연료 전지 스택(10)은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체로 이루어지며, 연료 공급원(30)으로부터 연료를 공급받고, 공기 공급원(50)으로부터 공기를 제공받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.

상기 연료 공급원(30)은 수소 가스를 압축 저장하며 그 수소 가스를 연료 전지들의 연료극으로 공급하고, 공기 공급원(50)은 대기 중의 공기를 연료 전지들의 공기극으로 공급한다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템(100)은 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급하는데 소모되는 기생 전력을 효과적으로 줄일 수 있으며, 연료전지 발전소, 공공 건물의 발전 시스템, 차량의 전력 발전 등 다양한 산업 분야 및 공공 분야에 적용할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지로 공기를 공급하는 수단으로서 공기 블로워 또는 컴프레셔에 전적으로 의존하는 종래 기술과 달리, 기압 차에 의해 공기의 흐름을 형성하는 자연 외기를 연료 전지 스택(10)으로 공급하는 공기 공급원(50)을 구성할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 공기 공급원(50)은 자연 외기로서 기압 차에 의해 공기의 흐름을 형성하는 자연 바람, 운송수단의 주행풍, 공조 시스템의 송풍 바람을 연료 전지 스택(10)으로 공급할 수 있다.

예를 들면, 연료 전지 발전소의 경우에는 바람이 많이 부는 지역, 예컨대 해안가, 강가, 고지대에서의 자연 바람을 이용하여 공기를 연료 전지 스택(10)에 공급할 수 있다.

여기서, 연료 전지 발전소에서의 연료 전지 시스템은 높은 출력이 필요하지 않고, 낮은 출력으로 운전되는 바, 이는 연료 전지가 저출력 영역에서 효율이 높기 때문에 최대 출력의 1/4 이하에서 운전하는 것이 발전 상 유리하기 때문이다.

그리고, 차량, 선박, 기차, 비행기 등의 운송수단에 채용되는 연료 전지 시스템에서는 그 운송수단의 주행풍을 이용하여 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급할 수 있다.

이 경우, 상기와 같은 차량의 전력 어시스트용으로 사용되는 연료 전지 시스템은 차량 주행 중의 보조 발전용 연료 전지를 채용하며, 특히 선박과 기차, 비행기 또는 대형 트럭은 운행 중 강한 주행풍이 발생하므로 이를 이용하여 연료 전지 스택(10)에 공기를 공급할 수 있다.

또한, 공공 주택이나 공장 등의 발전 시스템의 경우에는 공조 시스템의 운영을 위한 팬의 송풍 바람을 이용하여 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급할 수도 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 의한 상기 공기 공급원(50)은 위에서 언급한 바와 같은 자연 바람 등의 자연 외기를 연료 전지 스택(10)으로 유도하는 유도수단(51)을 더 포함하고 있다.

상기 유도수단(51)은 공기(자연 외기)의 흐름이 직접적으로 작용하는 연료 전지 시스템(100)의 작용 부위에 설치되며, 연료 전지 스택(10)으로 공급되는 자연 외기의 직진성을 유도하는 플랩(flap)장치, 팬 장치, 그릴 장치 등을 예로 들 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 의한 상기 공기 공급원(50)은 자연 외기로서 공급되는 공기의 유량을 측정하는 유량계(55)를 포함하고 있다.

이러한 유량계(55)는 공기의 유량을 측정하는 공지 기술의 공기 유량계로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 운전 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 기압 차에 의해 공기의 흐름을 형성하는 자연 외기를 연료 전지 스택(10)으로 공급한다(S11 단계).

여기서, 상기한 자연 외기는 자연 바람, 운송수단의 주행풍, 공조 시스템의 송풍 바람을 예로 들 수 있다.

즉, 연료 전지 발전소의 경우에는 바람이 많이 부는 지역, 예컨대 해안가, 강가, 고지대에서의 자연 바람을 이용하여 공기를 연료 전지 스택(10)에 공급할 수 있다.

그리고, 차량, 선박, 기차, 비행기 등의 운송수단에 채용되는 연료 전지 시스템(100)의 경우에는 운송수단의 주행풍을 이용하여 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급할 수 있다.

또한, 공공 주택이나 공장 등의 발전 시스템의 경우에는 공조 시스템의 운영을 위한 팬의 송풍 바람을 이용하여 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급할 수 있다.

상기한 경우에 자연 외기는 플랩(flap)장치, 팬 장치, 그릴 장치 등과 같은 유도수단(51)에 의해 공기의 직진성을 형성하며 연료 전지 스택(10)으로 공급될 수 있다.

이와 같은 자연 외기가 연료 전지 스택(10)으로 공급되는 과정에, 유량계(55)는 연료 전지 스택(10)으로 유입되는 자연 외기의 유량을 측정하고, 그 측정값을 제어기(90)로 출력한다(S12 단계).

그러면, 상기 제어기(90)에서는 유량계(55)에 의해 측정된 연료 전지 스택(10)의 공기 공급 유량에 기인하여 연료 전지 스택(10)의 전기 발생량을 산출한다(S13 단계).

따라서, 상기 연료 전지 스택(10)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 공기 공급 유량에 상응하는 전기 에너지를 생산한다(S14 단계).

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 자연 바람, 운송수단의 주행풍, 공조 시스템의 송풍 바람과 같이 기압 차에 의해 공기의 흐름을 형성하는 자연 외기를 연료 전지 스택(10)으로 자연 공급할 수 있으므로, 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급하는데 소모되는 기생 전력을 효과적으로 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지에서 생산되는 전기를 사용하여 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급하는 공기 블로워 또는 컴프레셔를 삭제할 수 있으므로, 연료 전지의 효율을 향상시킬 수 있으며, 전체 시스템의 부품비를 절감할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 연료전지 발전소, 공공 건물의 발전 시스템, 차량의 전력 발전 등 다양한 산업 분야 및 공공 분야에 적용할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)은 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 전기 에너지를 소모하여 구동하는 공기 블로워(153)를 통해 연료 전지 스택(110)으로 공기를 공급하는 공기 공급원(150)을 구성할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 공기 블로워(153)는 제어기(190)에 의해 고전압 배터리(180)로부터 전원을 인가받아 구동하는 것으로, 사용자의 요구 전기량에 비해 자연 외기의 공급이 충분하지 않을 때 작동함으로써 전기 생산량에 상응하는 공기의 유량을 연료 전지 스택(110)으로 공급할 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 자연 외기가 연료 전지 스택(110)으로 충분히 공급될 때에는 공기 블로워(153)를 작동시키지 않고, 전기 생산량에 비해 자연 외기의 자연 공급이 충분하지 않을 때에는 공기 블로워(153)를 작동시켜 부족 분의 공기를 연료 전지 스택(110)으로 공급하는 하이브리드 타입의 공기 공급 시스템으로 구성할 수 있다.

도면에서, 참조 부호 130은 연료 전지 스택(110)으로 연료를 공급하는 연료 공급원을 나타내며, 참조 부호 151은 자연 외기를 연료 전지 스택(110)으로 유도하는 유도수단을 나타내고, 참조 부호 155는 연료 전지 스택(110)으로 공급되는 공기의 유량을 측정하는 유량계를 나타낸다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템(200)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예에서와 같으므로, 이하에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

10, 110... 연료 전지 스택
30, 130... 연료 공급원
50, 150... 공기 공급원
51, 151... 유도수단
153... 공기 블로워
55, 155... 유량계
90, 190... 제어기

Claims (8)

1. 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급원과, 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급원을 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서,
   상기 공기 공급원은,
   상기 연료 전지 스택의 전기 화학적인 반응에 필요한 산화제로서 기압 차에 의해 공기의 흐름을 형성하는 외기를 상기 연료 전지 스택으로 공급하되,
   외기를 상기 연료 전지 스택으로 유도하는 유도수단과, 외기의 공급 유량을 측정하는 유량계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 공기 공급원은,
   자연 바람, 운송수단의 주행풍, 공조 시스템의 송풍 바람을 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1 항에 있어서,
   상기 공기 공급원은,
   상기 연료 전지 스택에 대한 외기의 공급 유량이 기 설정된 유량 미만이면, 공기 블로워를 통해 공기를 연료 전지 스택으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
6. 청구항 1에 제공된 연료 전지 시스템의 운전 방법으로서,
   연료 전지 스택의 전기 화학적인 반응에 필요한 산화제로서 기압 차에 의해 공기의 흐름을 형성하는 외기를 유도수단을 통하여 상기 연료 전지 스택으로 공급하고;
   상기 연료 전지 스택으로 유입되는 공기의 유량을 유량계를 통해 측정하며;
   상기 공기 공급 유량에 기인한 상기 연료 전지 스택의 전기 발생량을 산출하고;
   상기 연료 전지 스택의 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기를 생산하는 연료 전지 시스템의 운전 방법.
7. 제6 항에 있어서,
   자연 바람, 운송수단의 주행풍, 공조 시스템의 송풍 바람을 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 운전 방법.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 연료 전지 스택에 대한 외기의 공급 유량이 기 설정된 유량 미만이면, 공기 블로워를 통해 공기를 연료 전지 스택으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 운전 방법.

Images