KR101553106B1 - The operation method of the hybrid fuel cell system - Google Patents

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KR101553106B1 KR1020130010108A KR20130010108A KR101553106B1 KR 101553106 B1 KR101553106 B1 KR 101553106B1 KR 1020130010108 A KR1020130010108 A KR 1020130010108A KR 20130010108 A KR20130010108 A KR 20130010108A KR 101553106 B1 KR101553106 B1 KR 101553106B1
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송성진
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Abstract

본 발명은 하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유입되는 연료 가스를 엔진에서 연소시켜 연료전지의 온도를 승온 시켜 연료전지가 예열완료 되면 연료전지와 엔진을 통합하여 운전하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법에 따르면 전기히터에 비해서 엔진의 효율이 좋을 뿐만 아니라 기존 시스템에서 별도의 히터를 설치할 필요가 없어서 시스템의 부피를 최소화 할 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a method of operating a hybrid fuel cell system, and more particularly, to a method of operating a hybrid fuel cell system by integrating a fuel cell and an engine when the temperature of the fuel cell is raised by burning the introduced fuel gas in the engine, . According to the operation method of the hybrid fuel cell system according to the present invention, the efficiency of the engine is improved as compared with the electric heater, and it is unnecessary to install a separate heater in the existing system, thereby minimizing the volume of the system.

Figure R1020130010108
Figure R1020130010108

Description

하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법{THE OPERATION METHOD OF THE HYBRID FUEL CELL SYSTEM}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a hybrid fuel cell system,

본 발명은 하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유입되는 연료 가스를 엔진에서 연소시켜 연료전지의 온도를 승온 시켜 연료전지가 예열완료 되면 연료전지와 엔진을 통합하여 운전하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of operating a hybrid fuel cell system, and more particularly, to a method of operating a hybrid fuel cell system by integrating a fuel cell and an engine when the temperature of the fuel cell is raised by burning the introduced fuel gas in the engine, .

일반적으로 연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 시스템을 말한다.Generally, a fuel cell is an electrochemical device that converts the chemical energy of hydrogen and oxygen into direct electrical energy. It is a system that continuously produces electricity by supplying hydrogen and oxygen to the anode and cathode.

이러한 연료 전지의 일반적인 특성은, 연료가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산하는 과정에서 열이 발생하게 되므로 총 효율을 80%이상 높이는 고효율 발전이 가능하며, 기존의 화력 발전에 비해 효율이 높으므로 발전용 연료의 절감이 가능하고 열병합 발전도 가능하다. 또한, NOx와 CO2의 배출량이 석탄 화력 발전에 비하여 현저히 낮으며 소음도 매우 적어 공해 배출 요인이 거의 없는 무공해 에너지 기술이다.The general characteristic of such a fuel cell is that the fuel is electrochemically reacted to generate electricity in the process of generating electricity, so that it is possible to generate high efficiency by increasing the total efficiency by 80% or more and is more efficient than the existing thermal power generation It is possible to reduce fuel consumption and also to generate cogeneration. In addition, NOx and CO 2 emissions are significantly lower than coal-fired power plants, and noise is very low, which is a pollution-free energy technology with almost no pollutant emission factors.

이와 더불어 모듈화에 의한 건설 기간의 단축, 설비 용량의 증감이 가능하고 입지 선정이 용이하다. 따라서 도심지역 또는 건물 내 설치가 가능하여 경제적으로 에너지를 공급할 수 있으며, 천연가스, 도시가스, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있으므로 기존의 화력 발전을 대체하고, 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 무공해 자동차 전원 등에 적용될 수 있다.In addition, it is possible to shorten the construction period by modularization, to increase or decrease the capacity of the facility, and to easily select the location. Therefore, it is possible to supply energy economically because it can be installed in an urban area or a building, and it is possible to use various fuels such as natural gas, city gas, methanol, waste gas, And can be applied to pollution-free automobile power supply and the like.

종래의 기술은 도 1에 도시한 바와 같이 연료전지를 예열해주기 위하여 히터를 이용하여 연료전지의 캐소드(공기극)로 유입되는 가스의 온도를 승온 시켜 예열운전모드를 시작하였다. 통상적으로 고온형 연료전지의 예열은 공기극으로 유입되는 공기를 전기히터에 의해 승온 시켜 연료전지에 열을 전달하는 방법이었다. 하지만 이 때 쓰이는 전기히터가 고온형 연료전지를 예열시키기 위해서는 많은 양의 전기가 사용되고, 고온형 연료전지의 작동온도는 전기히터로 승온 시키기에는 비교적 높은 편이어서 히터의 부피가 커지는 것이 불가피하다.In the prior art, as shown in FIG. 1, the temperature of the gas flowing into the cathode (air electrode) of the fuel cell is increased by using a heater to preheat the fuel cell to start the preheating operation mode. Typically, the preheating of the high temperature type fuel cell is a method of transferring heat to the fuel cell by raising the temperature of the air introduced into the air electrode by an electric heater. However, in order to preheat the high-temperature type fuel cell, a large amount of electricity is used, and the operating temperature of the high temperature type fuel cell is relatively high to raise the temperature with the electric heater, so that the volume of the heater is inevitably increased.

어느 정도 예열이 된 후에는 도2에 도시한 바와 같이 통합운전모드에 돌입하는데, 이 때에는 연료가스와 수증기를 연료전지의 애노드에 공급한 후 배출되는 배출가스를 이용하여 엔진을 구동시키고, 엔진에서 배출되는 배기가스를 다시 연료전지의 캐소드에 공급시켜 연료전지와 엔진을 통합운전 시키는 방식을 취하였다. 예열이 완료된 후 통합운전모드에 돌입한 후에는 히터는 필요가 없기 때문에 시스템에서 불필요한 부분을 차지하게 된다.2, the fuel cell system starts the integrated operation mode. At this time, the engine is driven by using the exhaust gas after the fuel gas and the water vapor are supplied to the anode of the fuel cell, And the discharged exhaust gas is supplied to the cathode of the fuel cell again to perform integrated operation of the fuel cell and the engine. After entering the integrated operation mode after the preheating is completed, there is no need for a heater, so the system occupies an unnecessary part.

이상과 같이 종래의 방식은 시스템의 효율이 떨어지는 문제가 있고, 불필요한 히터의 추가로 인해서 부피가 커지는 문제가 있다.
As described above, the conventional system has a problem that the efficiency of the system is inferior and the volume becomes large due to the addition of unnecessary heaters.

한국특허등록공보 제10-1115333호Korean Patent Registration No. 10-1115333

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 하이브리드 연료전지 시스템에서 초기에 엔진만을 작동시켜 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 연료전지를 예열시켜주면서, 연료전지가 예열완료가 되면 연료전지와 엔진을 통합하여 운전하는 방법을 제공하는 데에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a hybrid fuel cell system in which only an engine is initially operated to preheat a fuel cell using exhaust gas discharged from an engine, And when the preheating is completed, a method of operating the fuel cell and the engine in an integrated manner is provided.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
The solution to the problem of the present invention is not limited to those mentioned above, and other solutions not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료전지와 엔진을 포함하는 하이브리드 연료전지 시스템에 있어서,According to an aspect of the present invention, there is provided a hybrid fuel cell system including a fuel cell and an engine,

운전초기에 상기 하이브리드 연료전지 시스템을 예열운전모드로 변경하고, 상기 엔진에 연료와 산화제를 공급하여, 엔진에서 연소를 거쳐 나온 배기가스를 연료전지의 캐소드에 공급하여 연료전지를 예열시키는 S1단계; 상기 S1단계 후, 연료전지의 작동 온도를 확인하는 S2단계; 및 상기 S2단계에서 연료전지의 작동 온도에 도달된 경우에는 상기 하이브리드 연료전지 시스템을 통합운전모드로 변경하고, 엔진에 공급되는 연료를 애노드로 변경하여 운전하는 S3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법을 제공한다.An S1 step of changing the hybrid fuel cell system to a preheating operation mode at an initial stage of operation, supplying fuel and an oxidant to the engine, and supplying exhaust gas, which has been burned in the engine, to a cathode of the fuel cell to preheat the fuel cell; Step S2 of confirming the operating temperature of the fuel cell after step S1; And changing the hybrid fuel cell system to an integrated operation mode when the operating temperature of the fuel cell is reached in step S2, and changing the fuel supplied to the engine to an anode to operate the hybrid fuel cell system. A method of operating a hybrid fuel cell system is provided.

또한, 상기 엔진은 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진인 것을 특징으로 한다.Further, the engine is a homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine.

또한, 상기 예열운전모드에서는 연료를 엔진에 유입시키고, 상기 통합운전모드에서는 연료를 연료전지의 애노드에 유입시키기 위해 삼방밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.Further, the present invention is characterized by further comprising a three-way valve for introducing fuel into the engine in the preheating operation mode and for introducing fuel into the anode of the fuel cell in the integrated operation mode.

또한, 상기 예열운전모드에서는 연료를 외부 공기와 혼합시키고, 상기 통합운전모드에서는 연료전지의 애노드 오프 가스를 외부 공기와 혼합시키는 제 1 혼합기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.The apparatus may further include a first mixer for mixing the fuel with the outside air in the preheating operation mode and mixing the anode off gas of the fuel cell with the outside air in the integrated operation mode.

또한, 상기 예열운전모드에서는 엔진에서 나온 배기가스를 연료전지의 캐소드에 공급하고, 상기 통합운전모드에서는 외부 공기와 엔진에서 나온 배기가스를 혼합하여 연료전지의 캐소드에 공급하는 제 2 혼합기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.Further, in the preheating operation mode, the exhaust gas from the engine is supplied to the cathode of the fuel cell, and in the integrated operation mode, a second mixer for mixing the exhaust gas from the engine and the external air is supplied to the cathode of the fuel cell .

또한, 상기 통합운전모드에서 연료전지의 애노드 오프 가스 중 수분을 제거하기 위한 응축기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.The apparatus may further include a condenser for removing moisture from the anode off gas of the fuel cell in the integrated operation mode.

또한, 상기 통합운전모드에서 연료전지의 애노드 오프 가스를 이용하여 상기 애노드에 공급되는 연료를 승온 시켜 주는 열교환기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
The apparatus may further include a heat exchanger that increases the temperature of the fuel supplied to the anode using the anode off gas of the fuel cell in the integrated operation mode.

본 발명에 따른 하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법에 따르면 전기히터에 비해서 엔진의 효율이 좋을 뿐만 아니라 기존 시스템에서 별도의 히터를 설치할 필요가 없어서 시스템의 부피를 최소화 할 수 있는 장점이 있다.According to the operation method of the hybrid fuel cell system according to the present invention, the efficiency of the engine is improved as compared with the electric heater, and it is unnecessary to install a separate heater in the existing system, thereby minimizing the volume of the system.

또한, 예열운전모드에서 연료전지를 예열시키기 위해서 사용되는 에너지를 절약할 수 있다는 장점이 있다.Further, there is an advantage that energy used for preheating the fuel cell in the preheating operation mode can be saved.

또한, 예열운전모드시 엔진의 배기가스를 이용하여 연료전지를 작동시키므로, 효과적으로 연료전지를 예열 시킬 수 있고, 예열운전 시간을 단축 시킬 수 있다는 장점이 있다.In addition, since the fuel cell is operated by using the exhaust gas of the engine in the preheating operation mode, it is possible to effectively preheat the fuel cell and shorten the preheating operation time.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 종래의 방식에 따른 하이브리드 연료전지 시스템의 예열운전모드를 나타내는 개략도이다.
도 2는 종래의 방식에 따른 하이브리드 연료전지 시스템의 통합운전모드를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 연료전지 시스템의 예열운전모드를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 연료전지 시스템의 통합운전모드를 나타내는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a preheating operation mode of a hybrid fuel cell system according to a conventional system.
2 is a schematic diagram showing an integrated operation mode of a hybrid fuel cell system according to a conventional system.
3 is a schematic view showing a preheating operation mode of the hybrid fuel cell system according to the present invention.
4 is a schematic diagram showing an integrated operation mode of the hybrid fuel cell system according to the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of a method of operating a hybrid fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 1은 종래의 방식에 따른 하이브리드 연료전지 시스템의 예열운전모드를 나타내는 개략도로, 상기 시스템은 크게 히터, 연료전지(10), 엔진(20), 제 1 및 2 혼합기(31, 32), 열교환기(41, 42, 43, 44, 45), 응축기(50)로 구성된다.FIG. 1 is a schematic diagram showing a preheating operation mode of a hybrid fuel cell system according to a conventional system. The system includes a heater, a fuel cell 10, an engine 20, first and second mixers 31 and 32, (41, 42, 43, 44, 45) and a condenser (50).

종래의 기술은 연료전지(10)를 예열해주기 위하여 히터(1)를 이용하여 연료전지(10)의 캐소드(12)로 유입되는 가스의 온도를 승온시켜 예열을 시켜주는 방식을 취하였다. 이는 상술한 바와 같이 별도의 에너지가 들어가고, 연료전지(10)의 예열에 많은 시간을 소모하는 문제가 있다. The prior art has employed a method of preheating the temperature of the gas flowing into the cathode 12 of the fuel cell 10 by using the heater 1 to preheat the fuel cell 10. As described above, there is a problem that extra energy enters and the preheating of the fuel cell 10 takes a lot of time.

도 1에 나타난 예열운전모드가 어느 정도 끝나면 연료전지(10)와 엔진(20)을 동시에 작동시키는 통합운전모드에 돌입하게 된다.When the preheating operation mode shown in FIG. 1 is completed to some extent, the fuel cell 10 and the engine 20 are simultaneously operated.

도 2는 종래의 방식에 따른 하이브리드 연료전지 시스템의 통합운전모드를 나타내는 개략도를 나타낸 것으로, 동작 순서는 다음과 같다.FIG. 2 is a schematic diagram showing an integrated operation mode of a hybrid fuel cell system according to a conventional system, and the operation sequence is as follows.

우선, 연료가스와 수증기가 열교환기(45)로 이동을 한다. 상기 열교환기(45)는 연료전지(10)의 캐소드(12)에서 배출되는 배출가스를 이용하여 공급되는 연료가스와 수증기를 1차로 승온 시켜 주어 연료전지(10)의 애노드(11)로 공급해 주는 역할을 수행한다. First, the fuel gas and water vapor move to the heat exchanger 45. The heat exchanger 45 primarily increases the temperature of the fuel gas and the steam supplied using the exhaust gas discharged from the cathode 12 of the fuel cell 10 and supplies the fuel gas and the water vapor to the anode 11 of the fuel cell 10 Role.

상기 열교환기(45)를 지난 흐름은 열교환기(41)에서 2차로 승온된다. 두 개의 열교환기(44, 41)를 지난 흐름은 연료전지(10)의 애노드(11)로 들어가서 반응을 한다.The flow passing through the heat exchanger (45) is secondarily heated by the heat exchanger (41). The flow passing through the two heat exchangers (44, 41) enters the anode (11) of the fuel cell (10) and reacts.

애노드(11)에서 반응을 한 후 배출되는 배출가스(애노드 오프 가스)는 다시 열교환기(41)에서 상술한 흐름을 2차로 승온 시켜주고, 열교환기(42)로 이동한다. 상기 열교환기(42)는 외부의 차가운 공기를 승온 시켜주는 역할을 수행하며, 애노드(11)에서 배출되는 배출가스(애노드 오프 가스)의 온도가 고온이기 때문에 이를 강하시켜서 엔진(20)에 공급해준다. The exhaust gas (anode off gas) discharged from the anode 11 after the reaction is heated again in the heat exchanger 41 by the second flow, and is then transferred to the heat exchanger 42. The heat exchanger 42 functions to increase the temperature of the external cold air. Since the temperature of the exhaust gas (anode off gas) discharged from the anode 11 is high, it is supplied to the engine 20 .

열교환기(42)를 통과한 흐름은 다시 라디에이터에서 2차로 온도를 강하시키고, 배출가스(애노드 오프 가스)중에 포함된 수증기를 제거하기 위해서 응축기(50)를 거친다.The flow passing through the heat exchanger 42 is again passed through the condenser 50 to lower the temperature in the radiator again and to remove the water vapor contained in the exhaust gas (anode off gas).

상기 응축기(50)를 거친 흐름은 제 1 혼합기(31)로 유입되고, 제 1 혼합기(31)에서는 배출가스(애노드 오프 가스)와 공기를 혼합 적정 비율을 혼합시켜 엔진(20)에 공급해 준다. 제 1 혼합기를 거친 애노드 오프 가스 흐름은 다시 열교환기(44)를 지나며, 엔진(20)에서 최적의 폭발조건을 일으킬 수 있는 온도로 승온 되어 엔진(20)에 공급된다.The flow passing through the condenser 50 flows into the first mixer 31. The first mixer 31 mixes the exhaust gas (anode off gas) and the air at a proper mixing ratio and supplies the mixture to the engine 20. The anode off-gas flow through the first mixer passes through the heat exchanger 44 again and is raised to a temperature at which the optimum explosion condition can be generated in the engine 20 and supplied to the engine 20.

상기 열교환기(44)는 캐소드(12)에서 배출되는 배출가스(캐소드 오프 가스) 흐름을 이용하는데, 이는 상술한 바와 같이 열교환기(45)를 지난 흐름이다. 캐소드(12)는 외부의 차가운 공기와 엔진(20)에서 배출되는 배기가스를 이용하여 구동하는데, 열교환기(43)를 지나서 승온된 공기와 엔진(20)에서 배출되는 배기가스가 제 2 혼합기(32)에서 혼합되어 캐소드(12)로 유입된다.The heat exchanger 44 utilizes a flow of the off gas (cathode off gas) exiting the cathode 12, which is the flow past the heat exchanger 45, as described above. The cathode 12 is driven by the external cold air and the exhaust gas discharged from the engine 20. The air heated by the heat exchanger 43 and the exhaust gas discharged from the engine 20 are supplied to the second mixer 32 to be introduced into the cathode 12.

이와 같이 종래의 시스템은 예열운전모드를 지나고 나서 통합운전모드로 돌입을 하게 되면, 예열운전모드에서 사용되었던 히터(1)의 사용이 불필요해지게 된다.
Thus, if the conventional system goes into the integrated operation mode after passing the preheating operation mode, the use of the heater 1 used in the preheating operation mode becomes unnecessary.

이에 본 발명에서는 이와 같은 문제점을 극복하기 위해서, 초기에는 엔진만 작동시켜 연료전지를 예열시켜주면서, 연료전지가 예열완료가 되면 연료전지와 엔진을 통합하여 운전을 할 수 있도록 하는 방법을 제안하고 있다.In order to overcome such a problem, the present invention proposes a method of pre-heating the fuel cell by operating only the engine at the beginning, and integrating the fuel cell and the engine when the preheating of the fuel cell is completed .

도 3 및 4는 본 발명에 따른 하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법을 개략적으로 나타내는 것으로, 도 3은 예열운전모드시의 흐름을 구체적으로 표현해주고 있다.FIGS. 3 and 4 schematically illustrate a method of operating the hybrid fuel cell system according to the present invention. FIG. 3 specifically shows the flow of the preheating operation mode.

우선, 연료가스를 엔진(20)쪽으로 전환시켜주기 위해서 삼방밸브(60)를 구비하고 있다. 예열운전모드에서는 연료가스를 엔진(20)쪽으로 공급해주지만, 통합운전모드에 돌입하게 되면, 연료가스와 수증기를 연료전지(10)의 애노드(11)쪽으로 공급해주어야 하기 때문에 이와 같은 삼방밸브(60)를 흐름사이에 두어서, 각각의 모드에 따라서 연료가스의 흐름을 제어하도록 하였다.First, a three-way valve 60 is provided to switch the fuel gas to the engine 20 side. The fuel gas and the water vapor must be supplied to the anode 11 side of the fuel cell 10 when the fuel cell 10 enters the integrated operation mode in the preheating operation mode. To control the flow of the fuel gas in accordance with each mode.

삼방밸브(60)를 통과한 흐름은 제 1 혼합기(31)로 유입되고, 제 1 혼합기(31)에서는 외부의 공기를 연료가스와 혼합하여 엔진(20)에 공급해 준다. 엔진(20)에 공급되기 전에 열교환기(44)에서 최적의 연소조건에 맞는 온도로 연료가스를 승온 시켜준다.Way valve 60 is introduced into the first mixer 31. The first mixer 31 mixes the external air with the fuel gas and supplies the mixture to the engine 20. [ The temperature of the fuel gas is raised to a temperature suitable for the optimum combustion condition in the heat exchanger (44) before being supplied to the engine (20).

엔진(20)에서 연소반응이 일어나고, 배출되는 고온의 배기가스는 제 2 혼합기(32)로 들어가고, 고온의 배기가스를 통해서 연료전지(10)의 예열과정을 거치게 된다. 고온의 배기가스는 캐소드(12)로 유입되고, 캐소드(12)에서 반응이 된 후 배출되는 배출가스(캐소드 오프 가스)는 열교환기(45)로 유입되고, 열교환기(45)를 통과한 캐소드 오프 가스 흐름은 상술한 열교환기(44)로 유입되어서, 제 1 혼합기에서 혼합된 연료가스와 공기를 승온 시켜 준다.The combustion reaction occurs in the engine 20, and the exhaust gas at a high temperature discharged into the second mixer 32 is subjected to the preheating process of the fuel cell 10 through the high temperature exhaust gas. The exhaust gas at a high temperature flows into the cathode 12 and the exhaust gas (cathode off gas) discharged after the reaction at the cathode 12 flows into the heat exchanger 45, The off-gas flow is introduced into the heat exchanger 44 described above to raise the temperature of the mixed fuel gas and air in the first mixer.

이상과 같이 예열운전모드에서 종전과는 달리 히터가 필요 없게 되어 시스템 구성이 간단해 지고, 히터를 구동시키는 데에 필요한 에너지를 절약할 수 있게 되었다.As described above, in the preheating operation mode, a heater is not needed unlike the conventional one, the system configuration is simplified, and the energy required to drive the heater can be saved.

예열운전모드에서 연료전지(10)가 어느 정도 예열이 완료가 되면, 이제는 엔진(20)과 연료전지(10)를 동시에 작동시키는 통합운전모드에 돌입하게 된다.When the preheating of the fuel cell 10 is completed to some extent in the preheating operation mode, the engine 20 and the fuel cell 10 are now operated in the integrated operation mode.

도 4는 통합운전모드에서의 흐름을 구체적으로 표현해주고 있다.FIG. 4 specifically shows the flow in the integrated operation mode.

우선, 예열운전모드와 달리 연료가스와 수증기의 공급방향이 연료전지(10)쪽으로 변경되었음을 알 수 있다. 삼방밸브(60)에서 연료가스의 흐름을 연료전지(10)쪽으로 전환을 시킨다. First, it can be seen that the supply direction of the fuel gas and the water vapor is changed toward the fuel cell 10, unlike the preheating operation mode. Way valve 60 to the fuel cell 10 side.

상기 삼방밸브(60)를 통과한 흐름은 열교환기(45)에서 1차적으로 승온이 된다. 열교환기(45)는 캐소드 오프 가스를 이용하여 연료가스의 흐름을 승온 시켜 준다.The flow passing through the three-way valve (60) is primarily heated by the heat exchanger (45). The heat exchanger 45 elevates the flow of the fuel gas using the cathode off-gas.

상기 열교환기(45)를 통과한 흐름은 또다른 열교환기(41)를 통과하는데, 이때에는 애노드 오프 가스를 이용하여 연료가스의 흐름을 2차로 승온 시켜 준다.The flow passing through the heat exchanger 45 passes through another heat exchanger 41, and at this time, the flow of the fuel gas is secondarily heated by using the anode off gas.

2개의 열교환기(45, 41)를 통과한 연료가스의 흐름은 연료전지(10)의 애노드(11)로 공급되고, 애노드(11)에서 반응을 한 후에, 배출되는 배출가스(애노드 오프 가스)는 열교환기(41)로 이동한다.The flow of the fuel gas that has passed through the two heat exchangers 45 and 41 is supplied to the anode 11 of the fuel cell 10 and after the reaction in the anode 11, To the heat exchanger (41).

열교환기(41)를 통과한 애노드 오프 가스는 캐소드(12)로 공급되는 차가운 공기와 열교환을 하기 위해서 열교환기(42)를 통과한다. 고온의 애노드 오프 가스를 엔진에서 활용할 수 있는 온도로 강하시켜주는 것이 필요하기 때문이다.The anode off-gas passing through the heat exchanger (41) passes through the heat exchanger (42) for heat exchange with the cold air supplied to the cathode (12). It is necessary to lower the temperature of the anode off-gas to a temperature that can be utilized by the engine.

상기 열교환기(42)를 통과한 애노드 오프 가스 흐름은 다시 라디에이터를 통해서 2차로 온도가 강하되고, 온도가 떨어진 애노드 오프 가스 흐름에서 수증기를 제거하기 위해서 응축기(50)를 거친다.The anode off-gas stream passing through the heat exchanger 42 is again lowered in temperature through the radiator and passes through the condenser 50 in order to remove water vapor from the anode off-gas stream whose temperature has dropped.

응축기(50)를 거친 애노드 오프 가스는 엔진(20)에서 적절한 연소를 위해서 공기를 혼합해줄 필요가 있다. 제 1 혼합기(31)에서 적절한 비율로 혼합된 애노드 오프 가스 흐름은 캐소드 오프 가스를 이용하여 다시 한번 열교환을 해주기 위해서 열교환기(44)를 통과한다.The anode off-gas through the condenser 50 is required to mix the air for proper combustion in the engine 20. The anode off-gas stream mixed in the first mixer 31 at an appropriate rate passes through the heat exchanger 44 again to effect heat exchange with the cathode off-gas.

상기 열교환기(44)를 통과한 애노드 오프 가스 흐름은 엔진(20)에 유입되고, 유입된 흐름은 연소반응을 거치게 된다. 연소반응을 거친 후에 배출되는 배기가스는 캐소드(12)로 공급되는데, 공급되기 전에 제 2 혼합기(32)에서 외부 공기와 혼합되는 과정을 거친다.The anode off-gas flow that has passed through the heat exchanger (44) flows into the engine (20), and the incoming flow undergoes a combustion reaction. The exhaust gas discharged after the combustion reaction is supplied to the cathode 12, and is mixed with the outside air in the second mixer 32 before being supplied.

상기 외부 공기는 두 개의 열교환기(42, 43)를 거치게 되어서 어느 정도 승온된 상태이고, 엔진(20)에서 배출되는 배기가스도 어느 정도 승온된 상태이기 때문에, 캐소드(12)에서 적절한 반응이 일어날 수 있다.Since the outside air passes through the two heat exchangers 42 and 43 and is heated to some extent and the exhaust gas discharged from the engine 20 is also raised to some extent, .

캐소드(12)에서 반응이 일어난 후, 배출되는 배출가스(캐소드 오프 가스) 흐름은 상술한 바와 같이 열교환기(45)를 거치면서 연료가스를 승온 시켜 주고, 열교환기(44)를 거치면서 애노드 오프 가스 흐름을 승온 시켜 준다.After the reaction occurs in the cathode 12, the discharged gas (cathode off gas) flows through the heat exchanger 45 to raise the temperature of the fuel gas, and through the heat exchanger 44, Thereby raising the gas flow.

이상과 같이 본 발명은 연료의 도입부분에 삼방밸브(60)를 연결하여 연료전지(10) 예열운전모드에서는 연료를 엔진(20)으로 유입시키고, 연료전지(10)의 예열이 마친 후에는 연료전지(10)의 연료극으로 연료를 유입시켜 연료전지(10)와 엔진(20)의 통합 운전모드를 행하는 것을 특징으로 하고 있다.
As described above, according to the present invention, the three-way valve 60 is connected to the introduction portion of the fuel to introduce the fuel into the engine 20 in the preheating operation mode of the fuel cell 10, and after the preheating of the fuel cell 10 is completed, And the fuel cell 10 and the engine 20 are operated in an integrated operation mode by introducing the fuel into the fuel electrode of the battery 10.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 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 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

1: 히터
10: 연료전지
11: 애노드
12: 캐소드
20: 엔진
31: 제 1 혼합기
32: 제 2 혼합기
41: 열교환기
42: 열교환기
43: 열교환기
44: 열교환기
45: 열교환기
50: 응축기
60: 삼방밸브1: heater
10: Fuel cell
11: anode
12: Cathode
20: engine
31: first mixer
32: second mixer
41: Heat exchanger
42: Heat exchanger
43: Heat exchanger
44: Heat exchanger
45: heat exchanger
50: condenser
60: Three-way valve

Claims (7)

연료전지와 엔진을 포함하는 하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법에 있어서,
운전초기에 상기 하이브리드 연료전지 시스템을 예열운전모드로 변경하고, 상기 엔진에 연료와 산화제를 공급하여, 엔진에서 연소를 거쳐 나온 배기가스를 연료전지의 캐소드에 공급하여 연료전지를 예열시키는 S1단계;
상기 S1단계 후, 연료전지의 작동 온도를 확인하는 S2단계; 및
상기 S2단계에서 상기 연료전지의 작동 온도에 도달된 경우에는 상기 하이브리드 연료전지 시스템을 통합운전모드로 변경하고, 상기 연료전지의 애노드에 연료가 유입되고, 상기 애노드에서 반응을 한 후 배출되는 애노드 오프가스가 상기 엔진으로 공급되도록, 연료의 공급방향을 상기 엔진에서 연료전지의 애노드 측으로 변경하여 운전하는 S3단계;를 포함하고,
상기 예열운전모드에서는 연료를 외부 공기와 혼합시키고, 상기 통합운전모드에서는 연료전지의 애노드 오프 가스를 외부 공기와 혼합시키는 제 1 혼합기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법.
A method of operating a hybrid fuel cell system including a fuel cell and an engine,
An S1 step of changing the hybrid fuel cell system to a preheating operation mode at an initial stage of operation, supplying fuel and an oxidant to the engine, and supplying exhaust gas, which has been burned in the engine, to a cathode of the fuel cell to preheat the fuel cell;
Step S2 of confirming the operating temperature of the fuel cell after step S1; And
If the operation temperature of the fuel cell is reached in the step S2, the hybrid fuel cell system is changed to the integrated operation mode, fuel is introduced into the anode of the fuel cell, and the anode off And changing the supply direction of the fuel from the engine to the anode side of the fuel cell so that gas is supplied to the engine,
Further comprising a first mixer for mixing the fuel with the outside air in the preheating operation mode and mixing the anode off gas of the fuel cell with the outside air in the integrated operation mode.
제 1 항에 있어서,
상기 엔진은 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진인 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법.
The method according to claim 1,
Wherein the engine is an HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) engine.
제 1 항에 있어서,
상기 예열운전모드에서는 연료를 엔진에 유입시키고,
상기 통합운전모드에서는 연료를 연료전지의 애노드에 유입시키기 위해 삼방밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법.
The method according to claim 1,
In the preheating operation mode, fuel is introduced into the engine,
Further comprising a three-way valve for introducing fuel into the anode of the fuel cell in the integrated operation mode.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 예열운전모드에서는 엔진에서 나온 배기가스를 연료전지의 캐소드에 공급하고,
상기 통합운전모드에서는 외부 공기와 엔진에서 나온 배기가스를 혼합하여 연료전지의 캐소드에 공급하는 제 2 혼합기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법.
The method according to claim 1,
In the preheating operation mode, the exhaust gas from the engine is supplied to the cathode of the fuel cell,
Further comprising a second mixer for mixing the outside air with the exhaust gas from the engine and supplying the mixture to the cathode of the fuel cell in the integrated operation mode.
제 1 항에 있어서,
상기 통합운전모드에서 연료전지의 애노드 오프 가스 중 수증기를 제거하기 위한 응축기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법.
The method according to claim 1,
Further comprising a condenser for removing water vapor from the anode off gas of the fuel cell in the integrated operation mode.
제 1 항에 있어서,
상기 통합운전모드에서 연료전지의 애노드 오프 가스를 이용하여 상기 애노드에 공급되는 연료를 승온 시켜 주는 열교환기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법.

The method according to claim 1,
Further comprising a heat exchanger for heating the fuel supplied to the anode using the anode off gas of the fuel cell in the integrated operation mode.

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001258105A (en) * 2000-03-10 2001-09-21 Honda Motor Co Ltd Hybrid car
JP2007520868A (en) * 2004-02-06 2007-07-26 フュエルセル　エナジー，　インコーポレイテッド Internal reforming fuel cell assembly with selectively adjustable direct and indirect internal reforming
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Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001258105A (en) * 2000-03-10 2001-09-21 Honda Motor Co Ltd Hybrid car
JP4013950B2 (en) 2002-06-10 2007-11-28 トヨタ自動車株式会社 Vehicle with fuel cell
JP2007520868A (en) * 2004-02-06 2007-07-26 フュエルセル　エナジー，　インコーポレイテッド Internal reforming fuel cell assembly with selectively adjustable direct and indirect internal reforming
KR101079670B1 (en) * 2010-02-05 2011-11-04 에스티엑스메탈 주식회사 Auxiliary Fuel Cell System Using Waste Heat of Main Engine

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