KR101557876B1 - 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템 및 그 운전 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 저온(0℃ 이하) 환경에서 연료전지 시스템을 안정적으로 기동 및/또는 운전하기 위한 수단으로 냉각 계통을 예열하는 장치인 제1 예열기(1st preheater)와 연료전지 시스템 내부 온도를 승온할 수 있는 제2 예열기(2nd preheater)를 사용하여 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 저온 환경(0℃ 이하)에서 예열기를 이용하여 연료전지 스택 냉각계통이 승온된 상태에서 운전하기 때문에 안정적인 시스템 운전이 가능하고 제1 예열기(1st preheater)와 공기 예열기(air preheater)를 사용하여 개질 반응에 필요한 온도까지 승온하는 시간 내에 주변 장치(BOP), 스택 및 순수를 승온할 수 있기 때문에 연료전지의 저온환경(0℃ 이하)에서의 운전에 효과적이다.

Description

저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템 및 그 운전 방법{Fuel cell system having improved starting performance in low temperature and Operating method thereof}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 저온(0℃ 이하) 환경에서 연료전지 시스템을 안정적으로 기동 및/또는 운전하기 위한 수단으로 냉각 계통을 예열하는 장치인 제1 예열기(1st preheater)와 연료전지 시스템 내부 온도를 승온할 수 있는 제2 예열기(2nd preheater)를 사용하여 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템에 대한 것이다.

또한, 본 발명은 저온(0℃ 이하) 환경에서 연료전지 시스템을 안정적으로 기동 및/또는 운전하는 연료전지 시스템의 운전 방법에 대한 것이다.

고분자 전해질형 연료전지 시스템은 연료전지 스택에서 전기화학반응으로 전기 에너지를 생산한다. 상기 연료전지 스택은 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 스택 내 고분자 전해질막을 통해 공기극(cathode)로 넘어가고, 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통하여 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 생성한다.

이러한 연료전지 스택은 연료가스 및 산화제 가스를 상기 전극들로 공급하는 유로, 연료전지의 작동 온도를 유지하는 냉각수의 유로가 형성되어 있는 분리판이 구비되어 있으며, 분리판으로는 흑연 분리판 또는 금속분리판 등이 사용된다.

또한, 연료전지 시스템은 운전에 필요한 수소를 생산하기 위한 장치로서 탄화수소계 원료를 사용하는 연료처리장치(개질장치)를 포함한다. 상기 연료처리장치(개질장치)는 보통 수증기 개질반응(steam reforming, SR) 방식과 자열개질 반응(auto-thermal reforming, ATR)을 많이 사용하며, 상기 개질반응(reforming)을 위해서는 개질 촉매와 탄화수소계 원료가 필요하고 순수를 일정하게 공급해 주어야 한다.

상기 순수는 원활한 반응을 위해 스팀(steam)을 발생해 주어야 한다. 상기 자열개질(auto-thermal reforming, ATR) 방식은 원료로서 공기 중 산소를 공급해야 하는 차이점이 있다.

상기 개질 촉매에 의해 발생된 가스는 CO 제거를 위한 수단으로 수성가스전환반응(water-gas shift, WGS)을 거치고 선택적 산화 반응부(PROX)에서 CO 가스와 공기 중 산소와 반응 후, 연료전지 스택에 수소가 포함된 가스를 공급 한다. 또한 연료극(anode) 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer)를 통해 미반응 수소를 연소 배출한다. 상기 수성가스전환반응(WGS)과 선택적 산화 반응(PROX) 사이에는 냉각 장치와 워터 트랩을 설치하여 수분 제거를 하는 것이 CO 제거에 유리하다.

또한, 상기 연료전지 시스템의 물질의 이동 및 열 관리를 위한 펌프, 밸브 및 센서류같은 주변 장치들을 포함하고, 이를 제어해야 연료전지 시스템이 안정적으로 운전 할 수 있다.

상기 연료전지 시스템에서 안정적인 운전을 위해서는 연료공급, 열관리 이외 물 관리가 중요하다. 시스템 여러 위치에 물(결로수, 응축수)이 존재한다. 예를 들면, 연료전지의 동작 중에 고분자 전해질막은 가습 된 상태로 유지하기 위하여 물이 존재하며, 또한 발전 중에 연료전지의 공기극(cathode)에서 전기화학반응에 의해 물이 생성 된다. 연료전지 발전 중에 연료전지에서 열이 발생하고, 균일한 운전 온도 조건과 반응 조건을 형성하기 위해서 냉각수가 순환한다.

상기 연료전지 시스템에서 수소를 생산하기 위한 연료처리 장치에서 개질 반응에 순수가 필요하며 생성 가스 중 수소는 연료전지 스택 내 전극층에서 전기화학 반응을 한다.

생성가스에는 수소 외에 이산화탄소 및 수분을 함유하고 있다. 연료전지 시스템에 있어서 가습된 가스와 공기는 0℃ 이하의 저온 환경에서 동결되기 때문에 연료전지 시스템의 정지 시 퍼지를 통해 배출해야 한다.

연료극 유로와 공기극 유로, 막전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assemly)에 잔류한 결로수는 저온(0℃ 이하) 환경에서 동결로 인하여 기동 시 어려움이 발생한다.

또한 연료전지가 운전이 되지 않는 상태에서 장시간 어는점 이하의 상태에 놓이는 경우 잔류 수분이 동결하게 되어 가스 유로를 막아 가스 확산층을 포함하는 전극에 연료가스 및 산화제가스의 공급을 방해하며 MEA의 수명을 단축시키게 된다.

따라서 연료전지 시스템이 장시간 어는점 이하에 놓인 상태에서 연료전지를 동작시키기 위해서는, 먼저 내부 얼음이 해동되어야만 안정적인 기동이 가능하게 된다는 단점이 있다.

1. 한국공개특허번호 제10-2009-011925호 2. 한국등록특허번호 제10-1172841호 3. 한국등록특허번호 제10-0893431호 4. 한국공개특허번호 제10-2006-0033522호

본 발명은 위 배경기술에서 제기된 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 저온(0℃ 이하) 환경에서 연료전지 시스템을 안정적으로 기동 및 운전하기 위한 수단으로 냉각 계통을 예열하는 장치인 제1 예열기(1st preheater)와 연료전지 시스템 내부 온도를 승온할 수 있는 제2 예열기(2nd preheater)를 사용하여, 상기 제1 예열기(1st preheater)는 저온에서 동결되는 않는 냉각수(coolant)를 사용하며 가솔린 연소 방식으로 냉각수(coolant)를 승온하여 연료전지의 저온 환경을 극복하고 연료전지 시스템을 안정적으로 운전 가능하게 하는 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템 및 그 운전 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기 제2 예열기(2nd preheater)는 가솔린 연소방식으로서 유입 공기를 승온하여 연료전지 시스템 내부 온도를 상승 시키고 저온 환경을 극복하고 연료전지 시스템을 안정적으로 운전 가능하게 하는 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템 및 그 운전 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해 저온(0℃ 이하) 환경에서 연료전지 시스템을 안정적으로 기동 및 운전하기 위한 수단으로 냉각 계통을 예열하는 장치인 제1 예열기(1st preheater)와 연료전지 시스템 내부 온도를 승온할 수 있는 제2 예열기(2nd preheater)를 사용하여, 상기 제1 예열기(1st preheater)는 저온에서 동결되는 않는 냉각수(coolant)를 사용하며 가솔린 연소 방식으로 냉각수(coolant)를 승온하여 연료전지의 저온 환경을 극복하고 연료전지 시스템을 안정적으로 운전 가능하게 하는 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템 및 그 운전 방법을 제공한다.

상기 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템은,

수소 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시켜 발생한 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택;

상기 연료전지 스택에 의해 상기 연료전지 스택과 연결 설치되어, 연료, 순수(pure water) 및 공기의 개질반응에 의해 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 그 개질 가스를 상기 연료전지 스택에 공급하는 연료 처리 장치;

상기 연료 처리 장치와 연결 설치되어, 상기 순수를 상기 연료 처리 장치에 공급하는 순수 탱크;

상기 연료전지 스택과 연결 설치되어, 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하기 위한 막가습기;

상기 순수 탱크, 연료 처리 장치, 및 연료전지 스택 중 적어도 하나 이상을 부동액을 이용하여 해동하는 제 1 예열기;

상기 부동액을 저장하는 부동액 탱크; 및

내부 찬 공기를 이용하여 내부 온도를 승온시키는 제 2 예열기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이때, 상기 연료 처리 장치는, 연료, 공기를 공급받아 개질 반응을 수행하는 자열개질 반응(auto-thermal reforming, ATR) 유닛; 개질 반응에 따라 생성된 CO를 제거하는 수성가스전환반응(water-gas shift, WGS)유닛; CO가스와 공기중 산소와 반응시켜 연료전지 스택에 수소가 포함된 가스를 공급하는 선택적 산화 반응부 유닛; 미반응 산소를 연소 배출하는 연료극 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer); 및 수성가스전환반응(water-gas shift, WGS)유닛; 선택적 산화 반응부 유닛 사이에 열을 교환하는 열교환기; 및 상기 유닛들을 센싱하는 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이때, ATR 반응 유닛 및 WGS반응 유닛을 위한 전기 히터가 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 생성된 전기 에너지를 충전하는 2차 전지 모듈을 포함하되, 상기 제 1 예열기에서 승온된 부동액(coolant)을 이용하여 저온시 상기 2차 전지 모듈을 해동하고, 상기 2차 전지 모듈의 방전을 통해 전원 공급을 하고 발전 시 충전하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제 1 예열기의 출구는 분기관과 연결되되, 상기 분기관은 상기 순수탱크를 해동하기 위한 제 1 배관과 상기 2차 전지 모듈을 해동하기 위한 제 2 배관을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 순수탱크는 내부 해동을 위한 열교환기 구조를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 순수탱크는 순수 공급 펌프의 입구와 순수 탱크 연결배관을 부동액이 흐를 수 있는 이중관으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

삭제

또한, 상기 순수 탱크에는 스택 냉각수 펌프가 연결되고, 상기 제 1 예열기는 승온된 부동액을 스택 냉각 계통으로 순환하여 상기 연료전지스택의 연료극, 공기극의 결로수와 응축수를 해동하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제 1 예열기는 승온된 부동액이 제 1 배관을 통하여 상기 순수탱크를 해동하고 제 2 배관을 통하여 상기 2차 전지 모듈의 외함에 부동액이 순환하여 해동하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제 1 예열기 및 제 2 예열기는 저온환경에서 연소 가능한 예열장치로서 가솔린 연소 방식을 이용하여 배기가스를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제 1 예열기의 내측에 순환펌프가 설치되고, 냉각수 입구, 냉각수 출구, 공기 흡입구, 및 배기출구를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제 2 예열기의 내측에는 블로어가 설치되고, 공기입구, 공기출구, 공기흡입구, 및 배기출구를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제 2 예열기는 연료전지 저온에서 내부의 주변기기와 배관 표면의 응축수를 건조하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제 2 예열기에 의한 배기가스에 의해 해동되는 순수공급 펌프와 응축수밸브를 배기가스 덕트의 형태로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제 2 예열기의 배기가스는 막가습기 외부를 해동하며 상기 배기 가스 덕트 내에 막가습기를 위치되며, 상기 순수펌프, 응축수 펌프, 막가습기는 순서에 관계없이 위치하고 해동되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 열교환기에서 발생한 열을 상기 부동액 탱크에 공급하는 방열기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

한편으로 본 발명의 다른 실시예는 위에 기술된 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템에 있어서,

a) 상기 연료전지시스템을 저온 기동하는 단계;

b) 상기 제 1 예열기 및 제 2 예열기를 동작하여 예열 및 해동하는 단계;

c) 예열 및 해동이 이루어짐에 따라 연료처지장치 및 연료전지 스택이 동작함에 따라 연료전지 스택이 발전하는 단계; 및

d) 상기 연료전지 시스템을 상온으로 유지하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법을 제공한다.

이때, 상기 b) 단계는, b-1) 제 1 예열기를 동작하여 부동액 탱크, 2차 전지 모듈의 승온과 순수탱크 해동하는 단계; b-2) 제 3 예열기를 동작하여 연료전지 시스템 내부 온도를 승온하는 단계; b-3) 연료처리장치 냉각수 펌프를 동작하여 연료처리장치를 해동하는 단계; b-4) 스택 냉각수 펌프를 동작하여 연료전지 스택을 해동하는 단계; 및 b-5) 설정된 온도를 체크하여 해동을 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 b-1)단계 및 b-2) 단계는 동시에 진행된 후, 상기 b-3) 단계 및 b-4) 단계를 동시에 진행하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 b-5) 단계는, 연료전지 시스템이 기동되면 제 1 예열기 및 제 2 예열기를 기동하는 단계; 상기 부동액 탱크의 온도 상승을 감지하고, 설정 온도가 되는 지를 판단하는 단계; 연료처리장치 냉각수 펌프 및 스택 냉각수 펌프를 동작하여 연료처리장치의 순수 공급 이중관과 연료처리장치, 연료전지 스택을 해동하는 단계; 및 순수탱크 온도, 스택 냉각수 출구온도, 연료전지 시스템 내부 온도가 소정의 값 이상이면 해동이 되었다고 판단하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 c) 단계는, c-1) 연료처리 장치를 동작시키는 단계; 및 c-2)연료전지 스택에 따라 발전하여 2차 전지 모듈에 충전하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 b-5) )단계는, 연료처리 장치의 전기 히터를 동작하는 단계; 상기 전기 히터를 on/off 제어를 하고 반응 유닛들의 온도가 설정 온도까지 승온하는지 대기하는 단계; 상기 설정 온도가 되면 바이패스 밸브를 열고, 연료공급, 순수공급, 공기공급하는 단계; 상기 자열개질 반응(ATR) 유닛의 온도, 성가스전환반응(WGS) 유닛의 온도, 선택적 산화 반응부 유닛의 온도가 설정 온도가 되면 수소공급 안정화를 위한 일정 시간 대기하는 단계; 스택 수소 공급용 입구밸브와 출구 밸브를 열고, 바이패스 밸브를 닫는 단계; 연료전지 스택에 초기 전류를 인가하는 단계; 스택 공기 입구 온도 상승을 확인하는 단계 및 목표 전류값으로 발전하고 2차 전지 모듈을 충전을 하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 d)단계는, 스택 냉각수 출구 온도가 미리 설정된 제 1 소정 온도 이상이 되면 예열기를 정지하고, 제 1 소정 온도 이하가 되면 재 기동하여 상온으로 유지하는 단계; 및 상기 제 2 예열기가 승온되면 연료전지 시스템 내부 온도를 감지하고 미리 설정된 상온의 제 2 소정 온도가 되면 제 2 예열기를 정지하고, 내부온도가 미리 설정된 제 3 소정 온도 이하가 되면 제 2 예열기를 기동하여 내부 온도를 상온으로 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이때, 상기 제 1 소정 온도는 45℃이고, 상기 제 3 소정 온도는 5℃인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 저온 환경(0℃ 이하)에서 예열기를 이용하여 연료전지 스택 냉각계통이 승온된 상태에서 운전하기 때문에 안정적인 시스템 운전이 가능하고 제1 예열기(1st preheater)와 공기 예열기(air preheater)를 사용하여 개질 반응에 필요한 온도까지 승온하는 시간 내에 주변 장치(BOP), 스택 및 순수를 승온할 수 있기 때문에 연료전지의 저온환경(0℃ 이하)에서의 운전에 효과적이다.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 저온에서 얼지 않는 냉각 매체로 부동액을 사용함으로써 저온(0℃ 이하) 시 동결로 인한 물리적 파손을 방지할 수 있으며 가솔린 연소 배기가스의 배출 경로에 주변장치를 배치함으로써 연료처리장치의 수소 생산에 필요한 물 펌프, 밸브류 및 BOP 등의 안정적인 동작으로 오동작을 방지 할 수 있다는 점을 들 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 해동 구조를 갖는 연료전지 시스템(1)의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템(1)의 해동에 부동액을 사용하여 승온하는 개념을 보여주는 실시예의 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 연료전지 시스템(1)의 해동에 순수 통로를 해동하는 개념을 보여주는 다른 실시예의 개략도이다.
도 4는 도 1에 도시된 연료전지 시스템(1)에서 제 1 예열기(4)의 개략 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 연료전지 시스템(1)에서 제 2 예열기(6)의 개략 사시도이다.
도 6은 도 1에 도시된 연료전지 시스템(1)에서 순수 탱크(303)의 이중관 구조(620)를 보여주는 개략도이다.
도 7은 도 6에 도시된 이중관 구조(620)의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 저온 시동 및 기동 과정을 보여주는 순서도이다.
도 9는 도 8에 도시된 순서도의 1단계로서 예열 과정을 보여주는 순서도이다.
도 10은 도 8에 도시된 순서도의 2단계로서 기동 및 발전 과정을 보여주는 순서도이다.
도 11은 도 8에 도시된 순서도의 3단계로서 연료전지 시스템의 상온 유지 과정을 보여주는 순서도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.

제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템 및 그 운전 방법을 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 해동 구조를 갖는 연료전지 시스템(1)의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 연료전지 시스템(1)은 2차 전지 모듈(302); 수소 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시켜 발생한 전기 에너지를 상기 2차 전지 모듈(302)에 공급하는 연료전지 스택(2); 상기 연료전지 스택(2)에 의해 상기 연료전지 스택(2)과 연결 설치되어, 연료, 순수(pure water) 및 공기의 개질반응에 의해 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 그 개질 가스를 상기 연료전지 스택(2)에 공급하는 연료 처리 장치(3); 상기 연료 처리 장치(3)와 연결 설치되어, 상기 순수를 상기 연료 처리 장치(3)에 공급하는 순수 탱크(303); 상기 연료전지 스택(2)과 연결 설치되어, 상기 연료전지 스택(2)에 공기를 공급하기 위한 막가습기(10); 상기 2차 전지 모듈(302), 순수 탱크(303), 연료 처리 장치(3), 및 연료전지 스택(2)을 부동액을 이용하여 해동하는 제 1 예열기(307); 상기 부동액을 저장하는 부동액 탱크(5); 및 내부 찬 공기를 이용하여 내부 온도를 승온시키는 제 2 예열기(6) 등을 포함하여 구성된다.

부연하면, 연료전지 시스템(1)은 안정적으로 기동 및/또는 운전하기 위한 수단으로 냉각 계통을 예열하는 장치인 제 1 예열기(4)와 연료전지 시스템 내부 온도를 승온할 수 있는 제 2 예열기(6) 등을 포함하여 구성된다.

상기 연료전지 시스템(1)은 연료처리장치(3)를 포함하고 있으며 개질 반응을 하기 위하여 순수를 사용한다. 저온(0℃ 이하)에서 순수(pure water)는 얼기 때문에 순수 탱크(303) 내부에 제 1 예열기(4)로 예열된 부동액이 순환하여 얼음을 녹일 수 있는 열교환기 구조로 구성된다. 물론, 이러한 부동액을 저장하는 부동액 탱크(5)가 구성된다.

따라서, 상기 제 1 예열기(4)에 의해 부동액 탱크(5)로부터 나오는 부동액은 순수 탱크(303)의 출구 포트를 통과한다. 상기 출구는 연료처리장치(3)로 순수를 공급하는 순수공급펌프(202) 입구측 배관이며, 승온된 부동액은 순수공급펌프(202) 의 입구 배관을 녹이는 구조를 가지므로 저온에서도 연료처리장치(3)로 원활하게 물을 공급한다. 여기서 순수공급펌프(202)는 정량펌프가 사용될 수 있다.

또한, 저온(0℃ 이하)시 2차 전지 모듈(302)의 원활한 충전과 방전 기능을 하기 위하여 상기 제 1 예열기(4)로부터 공급되는 부동액은 2차 전지 모듈(302)의 외함을 통과하여 2차 전지 모듈(302)을 승온시킨다.

또한, 제 1 예열기(4)는 가솔린 연소방식을 이용한다. 따라서, 제 1 예열기(4)에 의해 발생한 연소배기 가스는 밸브 해동 덕트(309)를 이용하여 연료전지 시스템(1)에서 사용되는 스택 수소 입구 밸브(401), 수소 출구 밸브(402), 바이패스밸브(403)를 해동한다.

이와 함께, 상기 연료전지 시스템(1)에서 사용되는 응축수 밸브(404)와 개질 반응에 필요한 순수(달리 말하면, 정량수로 일컬어짐)를 공급하는 순수 공급 펌프(202)를 인접하게 배치하고 펌프 및 밸브 해동덕트(306) 구조를 갖도록 하여 제 2 예열기(6)의 연소배기 가스가 펌프 및 밸브 해동덕트(306)의 입구관에 공급되도록 구성된다.

이때, 펌프 및 밸브 해동덕트(306)와 연료처리 장치(3) 사이에는 이중관(203)이 설치된다. 즉, 순수공급펌프(202)를 통해 순수 탱크(304)로부터 순수가 연료처리 장치(3)에 공급되는 관과 연료처리장치 냉각수 펌프(201)를 통해 예열된 부동액이 순환하는 관이 구성된다.

상기 펌프 및 밸브 해동덕트(306)로 공급된 배기 가스는 상기 응축수 밸브( 404)와 순수 공급 펌프(정량펌프, 202)를 해동하고 외부로 배출된다.

또한, 상기 연료전지 시스템(1)을 저온(0℃ 이하) 기동시 제 1 예열기(4)를 사용하여 부동액을 일정 온도 상승시키면 스택 냉각수 펌프(103)와 연료처리장치(3)의 냉각을 위한 연료처리장치 냉각수 펌프(201)를 구동하여 연료처리장치(3) 및/또는 연료전지 스택(2)을 포함한 주변 장치의 해동을 통하여 저온 환경에서의 기동 시 원활한 운전을 할 수 있게 한다.

연료처리장치(3)는 연료, 공기를 공급받아 개질 반응을 수행하는 자열개질 반응(auto-thermal reforming, ATR) 유닛(31)과, 개질 반응에 따라 생성된 CO를 제거하는 수성가스전환반응(water-gas shift, WGS)유닛(32)과, CO가스와 공기중 산소와 반응시켜 연료전지 스택(2)에 수소가 포함된 가스를 공급하는 선택적 산화 반응부 유닛(37)과, 미반응 산소를 연소 배출하는 연료극 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer)(35), 및 수성가스전환반응(water-gas shift, WGS)유닛(32)과 선택적 산화 반응부 유닛(37) 사이에 열을 교환하는 열교환기(33) 등으로 구성된다.

또한, 연료처리장치(3)에는 전기 발열 장치(전기 히터)(미도시)가 구성되며, 이 전기 발열 장치를 동작하고 연료처리에 사용되는 순수와 연료를 처리하는 각 반응기들(ATR, WGS, Prox)의 온도를 소정의 온도까지 가열한다. 물론, ATR반응기 유닛 전기히터, WGS반응기 유닛 전기 히터 등과 같이 별도로 전기 발열 장치가 구성될 수 있다.

열교환기(33)에서 발생한 열은 방열기(7)를 통해 부동액 탱크(5)로 공급되어, 부동액 탱크(5)를 예열하게 된다.

또한, 연료전지 스택(2)은 전기화학반응으로 전기 에너지를 생산한다. 상기 연료전지 스택(2)은 수소가 연료극(anode)(21)의 촉매에서 수소이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 연료전지 스택 내 고분자 전해질막(22)을 통해 공기극(cathode)(23)로 넘어가고, 막가습기(10)를 통해 공기극(23)에 공급된 산소(104)는 외부 도선을 통하여 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 생성한다. 여기서, 연료전지 시스템(1)은 고분자 전해질형 연료전지 시스템일 수 있다.

또한, 상기 2차 전지 모듈(302)은 0℃ 이하의 저온 환경에서 방전/충전을 용이하게 하기 위해서는 저온 환경 시 신속하게 승온하여 해동에 필요한 전력을 공급해야한다.

부연하면, 상기 2차 전지 모듈(302)은 0℃ 이하의 저온 환경에서 방전/충전을 용이하게 하기 위해서는 저온 환경 시 신속하게 승온하여 해동에 필요한 전력을 공급해야 한다. 따라서 제 1 예열기(4) 내부 순환 펌프(307)가 출구에서 순수탱크(303)로 가는 제1배관(304)과 2차 전지 모듈(302)로 가는 제2배관(308)이 분기되어 구성되어야 한다.

제 1 예열기(4)에 의하여 승온된 부동액이 제 1 배관(304)을 통하여 순수탱크(303)를 해동하는데 사용하고, 제 2배관(308)을 통하여 2차전지 모듈(302)을 해동하여 필요한 소비 전력을 방전 할 수 있도록 한다.

따라서 제 1 예열기(4) 내부 순환 펌프(307)가 출구에서 순수탱크(303)로 가는 제1배관(304)과 2차 전지(302)로 가는 제2배관(308)이 분기되어 구성된다.

또한, 제 1 예열기(4)와 제 2 예열기(6)의 배기 가스는 순수 공급 펌프(202), 연료전지 시스템(1)의 연료전지 스택(2)의 수소 입구 밸브(401), 수소 출구 밸브(402), 바이패스 밸브(403)와 응축수 밸브(Drain, 404)를 해동하는데 사용한다.

또한, 상기 연료처리장치(3)와 제 1 예열기(4)를 구비한 연료전지 시스템(1)에 있어서 예열, 발전, 상온 유지 등의 운전을 하기 위하여 소모되는 전력은 2차 전지 모듈(302)을 통하여 공급 받게 된다.

상기 제 1 예열기(4)의 배기가스는 수소 입구 밸브(401), 수소 출구 밸브(402), 바이패스 밸브(403)를 해동하고, 제 2 예열기(6)의 배기가스는 순수 공급 펌프(정량 펌프, 202)와, 응축수 밸브(Drain, 404)를 해동한다.

제 2 예열기(6)의 배기관(311)은 상기 순수 공급 펌프(정량펌프, 202), 응축수 밸브(Drain, 404)에 연소 배기가스가 흐를 수 있도록 구성된 펌프 및 밸브 해동 덕트(306) 내부에 설치하는 것이 바람직하다.

연료처리장치(3)의 순환펌프 1(201) 동작과 연료전지 스택(2) 냉각 계통 순환을 위한 스택 냉각수 펌프(103) 동작으로 순수탱크(303)온도, 스택 출구온도, 내부온도가 소정의 온도가 달성하는 동안 배기 가스를 통하여 연료전지 스택(2) 수소 공급용 밸브와 응축수 계통 밸브를 해동하는 것이 바람직하다.

또한, 연료전지 시스템(1)에는 제어부(미도시)가 구성되며, 이는 마이크로프로세서, 메모리 등으로 구성되어, 제어 기능을 수행한다.

또한, 연료전지 시스템(1)내에 구성된 구성품 들의 온도를 센싱하기 위한 온도 센서(미도시)가 구비된다. 온도 센서의 센싱 정보는 제어부(미도시)에 전송된다.

도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템(1)의 해동에 부동액을 사용하여 승온하는 개념을 보여주는 실시예의 개략도이다. 즉, 도 2는 제 2 예열기(4)에 의해 부동액을 순환시켜 해동하는 원리를 보여준다. 도 2를 참조하면, 상기 열교환기(33)의 열이 방열기(7)에 의해 방열되어 부동액 탱크(5)의 부동액을 예열하면 예열된 부동액은 제 1 예열기(4)에 의해 순수 탱크(303) 및 2차 전지 모듈(302)을 순환하여 각 구성요소들을 승온한다. 물론, 이러한 부동액의 순환을 위해 제 1 예열기(4)에는 내부 순환 펌프(307)가 구비된다.

또한, 부동액 탱크(50의 예열된 부동액은 연료처리장치 냉각수 펌프(201) 및/또는 스택 냉각수 펌프(103)에 의해 각각 연료처리 장치(3) 및 연료전지 스택(2)을 순환하여 각 구성요소들을 승온한다.

도 3은 도 1에 도시된 연료전지 시스템(1)의 해동에 순수 통로를 해동하는 개념을 보여주는 다른 실시예의 개략도이다. 즉, 도 3은 제 2 예열기(6)를 이용하여 내부온도 승온에 의해 핫공기(Hot air)를 순환시켜 해동하는 원리를 보여준다. 도 3을 참조하면, 제 2 예열기(6)가 연소배기 가스를 이용하여 내부의 찬공기(Cold air)를 예열하여 핫공기(Hot air)로 바꾸어 펌프 및 밸브 해동덕트(306)의 입구관에 공급되도록 구성된다.

상기 펌프 및 밸브 해동덕트(306)로 공급된 배기가스는 상기 응축수 밸브( 404)와 순수 공급 펌프(202)를 해동하고 외부로 배출된다.

도 4는 도 1에 도시된 연료전지 시스템(1)에서 제 1 예열기(4)의 개략 사시도이다. 도 4를 참조하면, 저온(0℃ 이하)에서 연소 가능한 가솔린 연소장치인 제 1 예열기(4)에는, 연소용 공기 흡입구(430), 연소 가스 배출구(431), 냉각수(coolant) 입구(440), 냉각수(coolant) 출구(441), 및 연료공급펌프(450) 등이 구성된다. 따라서, 제 1 예열기(4)를 연료전지 시스템에 구비하여 냉각수(coolant) 계통을 예열하는 것이 가능하다.

물론, 제 1 예열기(4)는 내부에 내부순환펌프(307) 및 가솔린 연소기(미도시)가 구성되며, 연료공급펌프(450)에 의해 가솔린 연소기(미도시)에 연료를 공급한다. 물론, 연료는 가솔린이 일반적으로 사용된다.

따라서, 상기 연료전지 시스템에서 저온(0℃ 이하)에서 얼지 않는 부동액(coolant)을 사용하고, 저온에서 예열된 부동액(coolant)은 냉각수 계통에서 순환하여 연료전지 시스템내에 구성되는 구성품을 해동한다.

도 5는 도 1에 도시된 연료전지 시스템(1)에서 공기 예열기(6)의 개략 사시도이다. 부연하면, 상기 연료전지 시스템(1)에서 제 2 예열기(6)를 구비함으로써, 내부 온도 승온을 통해 연료전지 시스템(1)의 구성품의 저온(0℃ 이하) 환경 극복에 매우 효과적이다. 상기 제 2 예열기(6)는 가솔린 연소기와 가솔린 연료 공급용 펌프를 포함하는 장치로서 저온에서 연료전지 시스템(1) 해동을 위한 열원을 공급 한다. 도 5를 참조하면, 연소 가능한 가솔린 연소기 장치인 제 2 예열기(6)는, 연소용 공기 흡입구(530), 연소가스 배출구(531), 공기흡입구(또는 냉풍입구라고 함)(510), 공기출구(또는 온풍 출구라고 함)(511), 연료공급펌프(450) 등을 포함하여 구성한다.

따라서, 제 2 예열기(6)를 연료전지 시스템(1)에 구비하여 내부 온도를 상온으로 유지하는 것을 특징으로 한다. 물론, 제 2 예열기(6)는 내부에 가솔린 연소기(미도시)가 구성되며, 연료공급펌프(450)에 의해 가솔린 연소기(미도시)에 연료를 공급한다

도 6은 도 1에 도시된 연료전지 시스템(1)에서 순수 탱크(303)의 이중관 구조(620)를 보여주는 개략도이고, 도 7은 도 6에 도시된 이중관 구조(620)의 개략도이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 연료전지 시스템(1)에서 순수 공급 펌프(202)인 정량펌프 출구 배관과 연료처리장치(3) 사이 배관을 이중관(203) 구조를 구성한다. 따라서, 예열된 부동액이 부동액 입구(630)와 부동액 출구(631)를 통해 순환하게 되므로, 연료처리장치(3)의 냉각수 펌프(201)가 동작하면 상기 이중관(203)내 순수통로(710)가 해동된다. 이 경우, 순수가 얼지 않게 되므로, 연료처리장치(3)로 원활하게 공급한다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 저온 시동 및 기동 과정을 보여주는 순서도이다. 도 8을 넓게 구분하면 1단계 내지 3단계로 구성되며, 이들 단계들의 개략적인 내용은 다음과 같다.

1) 1 단계: 예열 및 해동 단계

㉠1-1단계: 제1 예열기(4) 동작 및 부동액에 의한 해동(S800,S820,S821)

제 1 예열기(4)를 구비한 연료전지 시스템(1)에 있어서, 저온(0℃ 이하)에서 제1 예열기(1st preheater, 4)를 동작하는 단계로, 부동액(coolant) 탱크(5)에서 공급받은 부동액을 승온시키는 단계이며, 부동액 탱크(5)의 부동액(coolant)은 제 1 예열기(4)에서 승온되고 분기관(301)과 제 1 배관(304)을 통하여 순수탱크 내부 열교환기 및 이중관(305)을 순환하여 부동액 탱크(5)로 순환한다. 상기 부동액을 소정의 온도 까지 승온하면서 순수 탱크(303)와 순수탱크 이중관을 해동하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기 부동액이 제 1 예열기(4)에서 승온되고 분기관(301)과 제2 배관(308)을 통하여 2차 전지 모듈(302)로 순환하고, 상기 부동액이 2차 전지(302)를 해동함으로써 저온(0℃ 이하)에서 연료전지의 기동 시 필요한 전력의 방전을 도모하는 과정을 수행한다.

㉡1-2단계: 제2 예열기(6) 동작 및 내부 승온에 의한 해동(S800,S810,S811)

제 2 예열기(6)를 구비한 연료전지 시스템(1)에 있어서, 저온(0℃ 이하)에서 제 2 예열기(6)를 동작하여 연료전지 시스템(1) 내부 온도를 상온으로 유지한다.

연료전지 시스템(1)의 내부 공기가 제 2 예열기(6)에 의하여 따뜻한 바람(온풍)이 발생하고, 상기 온풍에 의하여 내부 배관, 밸브류 및 펌프류 및 제어기류의 해동을 도모하여 저온 환경을 극복하고, 저온 환경 시 발생하는 연료전지 시스템(1) 내부 부품의 표면 응축수를 건조하는 과정을 수행한다.

㉢1-3단계: 연료처리장치 냉각수 펌프(201) 동작에 의한 연료처리장치(3) 해동(S825)

연료처리장치(3)의 해동 단계로서, 상기 부동액 탱크(5)의 부동액(coolant)이 일정 온도가 되면 연료전지 시스템(1)의 연료처리장치 냉각수 펌프(201)를 동작하여 개질 반응에 필요한 순수의 공급 배관인 이중관(203)을 해동하는 과정을 수행한다.

연료처리장치(3)는 자열 개질반응기(ATR) 유닛(31), 수성가스전환반응기(WGS) 유닛(32), 열교환기(33), 선택적 산화반응기(Prox) 유닛(37)과 오프가스촉매연소기(ATO, anode tail-gas oxidizer) 유닛(35)로 구성되어 있으며, 상기 수성가스전환반응기(WGS) 유닛(32)과 선택적 산화 반응기(PROX) 유닛(37)사이에는 냉각 장치인 열교환기(33)를 설치하여 수분 제거하는 것이 CO 제거에 효과적이며, 상기 연료처리장치 냉각수 펌프(201)가 동작하면 냉각수가 상기 열교환기 내부를 순환한다.

또한 상기 연료처리장치 냉각수 펌프(201)는 냉각수로서 부동액(coolant)을 사용하며 연료처리장치(3)의 순수 공급 펌프(202) 출구 쪽 공급배관인 이중관(203)을 순환한다.

내부는 순수가 흘러 개질 반응을 위한 순수가 공급되고, 외부는 부동액(coolant)이 흐르도록 이중관(203)으로 구성하고 연료처리장치(3)를 해동한다.

㉣1-4단계: 스택 냉각수 펌프(103) 동작에 의한 연료전지 스택(2) 해동(S823)

연료전지 스택(2) 해동 단계로서, 상기 부동액 탱크(5)의 부동액이 일정 온도가 되면 연료전지 시스템(1)의 스택 냉각수 펌프(103)를 동작하여, 상기 연료전지 시스템(1)의 연료전지 스택(2) 내부 냉각 유로를 순환하고 방열기(7)로 통과한다. 연료전지 스택(2) 내부의 냉각 유로의 순환을 통하여 연료극과 공기극의 유로 내 잔류 결로수를 해동함으로써 저온에서 연료전지 시스템(1)을 발전하는데 MEA 손상을 방지 할 수 있다.

㉤1-5단계: 연료처지장치(30 및 연료전지 스택(2)의 해동 판단(S830)

이러한 1 단계에 대하여는 도 9를 참조하여 후술하기로 한다.

2) 2 단계: 기동 및 발전 단계

㉠2-1단계: 해동에 의해 연료처리장치(3) 동작하고 이에 따라 수소 및 공기가 연료전지 스택(2)쪽으로 공급(S840,S850,S860)

연료처리장치(3)의 기동 단계로서 상기 1단계의 목표 온도에 도달하면, 전기 발열 장치(전기 히터)를 동작하고 연료처리에 사용되는 순수와 연료를 처리하는 각 반응기들(ATR, WGS, Prox)의 온도를 소정의 온도까지 가열한다.

연료처리장치(3) 각 요소의 온도가 소정의 목표 값에 도달하고 정상상태를 유지하면 반응에 필요한 연료 및 순수, 공기를 소정의 설정 값으로 공급한다. 연료처리장치(3)에서 연료전지 스택(2)에 연결된 공급관의 바이패스 밸브(403)를 열어 연료처리과정(개질반응과정)에서 생성되는 중간생성물이 연료전지 스택(2)에 공급되지 않도록 유지하고 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tail-gas oxidizer)를 통해 연소 배출한다. 각 개질 촉매 반응기 온도가 설정 온도에 도달하고, 소정의 시간이 되면 연료전지 스택(2)에 수소 가스를 안정적으로 공급 할 수 있는 조건으로 판단하고 발전 단계에 들어간다.

㉡2-2단계: 연료전지 스택(2)에 의해 발전되어, 2차 전지 모듈(302) 충전(S870)

연료전지의 발전 단계로서 수소 가스를 연료전지 스택(2)으로 수소를 공급한다. 바이패스 밸브(403)를 닫고, 연료전지 스택(2) 수소 입구 밸브(401)와 수소 출구 밸브(402)를 열면(Open) 수소 가스가 연료전지 스택(2)으로 공급된다. 전류를 인가하고 발전과 동시에 2차 전지(302)의 충전하는 단계에 들어간다.

이러한 2단계에 대하여는 도 10을 참조하여 후술하기로 한다.

3) 3 단계: 연료전지 시스템(1) 상온 유지단계

㉠3-1단계: 제1 예열기(4)에 의한 상온 유지(S880,S890)

상기 연료전지 시스템(1)에 있어서, 연료전지 스택(2)이 발전을 하게 되면, 반응열에 의하여 연료전지 스택(2)은 상온을 유지할 수 있다. 따라서 제 1 예열기(4)는 부동액 탱크(5)의 온도가 상온을 유지 할 수 있도록 제어하고 과도한 연료 소비를 방지하도록 제어하는 것이 바람직하다. 상기 제 1 예열기(4)는 연료전지 스택(2) 냉각수 출구 온도가 45℃ 이상이 되면 제1 예열기(1st preheater, 4)를 정지하고, 소정의 온도 이하가 되면 재 기동하여 상온으로 유지하는 것이 바람직하다

㉡3-2단계: 제2 예열기(6)에 의한 상온 유지(S880,S891)

공기 예열기(6)는 연료전지 시스템(1) 내부 온도가 상온을 유지 할 수 있도록 제어하고 연료전지 시스템(1) 내부 온도가 5℃ 이하로 내려가면 가동을 하여 운전 중, 내부 온도가 0℃ 이하로 내려가지 않게 제어하는 것이 바람직하다.

상기 공기 예열기(6)는 승온되면 연료전지 시스템(1) 내부 온도를 감지하고 상온의 소정에 온도가 되면 공기 예열기(6)를 정지하고 내부 온도가 5℃ 이하가 되면 공기 예열기(6)를 기동하여 연료전지 시스템(1) 내부 온도를 상온으로 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 연료처리장치(3)와 제 1 예열기(4)를 구비한 연료전지 시스템(1)에 있어서 상기 1 단계 내지 3단계의 운전을 하기 위하여 소모되는 전력은 2차 전지(302)를 통하여 공급 받게 된다.

이러한 3단계에 대하여는 도 11을 참조하여 후술하기로 한다.

도 9는 도 8에 도시된 순서도의 1단계로서 예열 과정을 보여주는 순서도이다. 부연하면, 1단계는, 제 1 예열기(4), 제 2 예열기(6)를 구비한 연료전지 시스템(1)에 있어서 상기 예열장치들로 순수탱크(303)와 내부 온도를 예열하고 해동하는 단계이다.

도 9를 참조하면, 저온(0℃ 이하) 환경에서 제 1 예열기(4) 및 제 2 예열기(6)가 동작되면 부동액이 순환되어 부동액 탱크(5) 온도(TC) 및 순수탱크(303) 온도(TD)가 상승한다(단계 S900,S910,S920).

만일 부동액 탱크 온도(TC)가 초기설정온도(TT1) 이상이면, 제 1 예열기(4)를 중지시키고, 이하이면 냉각수 펌프(103,201)를 동작시킨다. 상기 순수탱크(303) 온도(TD)가 예를 들면 40℃ 이상에서 연료처리장치 냉각수 펌프(201) 및 스택 냉각수 펌프(103)를 동작하여 연료처리장치(3)와 연료전지 스택(2)을 해동한다(단계 S930,S931,S940,S950).

상기 스택 냉각수 출구 온도(TS)가 해동 판단 온도(TT2)(예를 들면 5℃) 이상이 되면 제 2 예열기(4)를 정지하고, 해동 판단 온도(TT2) 이하가 되면 재 기동하여 상온으로 유지한다(단계 S960,S961,S970).

저온(0℃ 이하) 환경에서 제 2 예열기(6)가 동작되면 연료전지 시스템(1) 내부 온도를 감지하고 상온의 소정에 온도가 되면 제 2 예열기(6)를 정지하고 5℃ 이하가 되면 제 2 예열기(6)를 기동하여 연료전지 시스템(1) 내부 온도를 상온으로 유지하는 것이 바람직하다.

따라서 상기 제 1 예열기(4)와 제 2 예열기(6)를 이용하여 순수탱크(303) 온도(TD), 스택 냉각수 출구 온도(TS)와 연료전지 시스템(1) 내부온도(TA)가 각각 소정의 설정 온도인 해동판단온도(TT2) 이상이면 상기 연료전지 시스템(1)은 해동되었다고 판단한다.

도 10은 도 8에 도시된 순서도의 2단계로서 기동 및 발전 과정을 보여주는 순서도이다. 도 10은 연료처리장치(3)의 기동 단계로서 도 9에서 기술한 상기 1단계의 목표 온도에 도달하면, 전기 발열 장치(전기 히터)를 동작하고 연료처리에 사용되는 순수와 연료를 처리하는 각 반응기들(ATR, WGS, Prox)의 온도(TR, TW)를 설정된 소정의 온도까지 가열한다(단계 S1000,S1001,S1003,S1005). 여기서, TR은 ATR 온도이고, TW는 WGS 온도를 나타낸다.

연료처리장치(3)에서 연료전지 스택(2)에 연결된 공급관의 바이패스 밸브(403)를 열어 연료처리과정(개질반응과정)에서 생성되는 중간생성물이 연료전지 스택(2)에 공급되지 않도록 유지하고 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tail-gas oxidizer)를 통해 연소 배출한다(S1007,S1009).

각 개질 촉매 반응기 온도(TR,TW,TP,TB)가 각 설정 온도에 도달하고, 소정의 시간이 되면 연료전지 스택(2)에 수소 가스를 안정적으로 공급 할 수 있는 조건으로 판단하고 발전 단계에 들어간다(S1011,S1013).

연료전지의 발전 단계로서 수소 가스를 연료전지 스택(2)으로 수소를 공급한다. 바이패스 밸브(403)를 닫고, 연료전지 스택(2) 수소 입구 밸브(401)와 수소 출구 밸브(402)를 열면 수소 가스가 연료전지 스택(2)으로 공급된다. 전류를 인가하고 발전과 동시에 2차 전지(302)의 충전을 하는 단계에 들어간다(단계 S1015,S1017,S1019,S1021,S1023,S1025).

부연하면, 상기 연료전지 시스템(1)의 발전에 있어서 공기극에 공기를 공급하고 초기 소정의 전류를 인가함으로써, 연료전지 스택(2)은 발열반응을 하고, 반응열을 이용하여 내부 유로의 해동하는 방법으로 저온(0℃ 이하)시 기동에 있어서 더욱 효과적이다.

상기 연료전지 시스템(1)에서 스택 공기 공급관(104)과 공기 출구관(105)은 막가습기(10)가 구성되어, 상기 반응열로 인하여 공기 입구 온도가 상승한다. 따라서 초기 소정의 전류 인가 후 공기극 입구의 온도가 상승하면, 연료전지 스택(2)의 전류값을 목표 값까지 제어하면서 운전한다.

도 11은 도 8에 도시된 순서도의 3단계로서 연료전지 시스템의 상온 유지 과정을 보여주는 순서도이다. 도 11을 참조하면, 상기 연료전지 시스템(1)에 있어서, 연료전지 스택(2)이 발전을 하게 되면, 반응열에 의하여 연료전지 스택(2)은 상온을 유지한다(단계 S1100,S1110).

상기 제 1 예열기(4)는 연료전지 스택(2)의 냉각수 출구 온도(TS)가 소정의 온도인 45℃ 이상이 되면 제 1 예열기(4)를 정지하고, 소정의 온도 이하가 되면 재 기동하여 상온으로 유지한다(단계 S1120).

따라서 제 1 예열기(4)는 부동액 탱크(5)의 온도(TC)가 상온을 유지 할 수 있도록 제어하고 과도한 연료 소비를 방지하도록 제어하는 것이 바람직하다.

제 2 예열기(6)는 연료전지 시스템(1) 내부 온도가 상온을 유지 할 수 있도록 제어하고 연료전지 시스템(1) 내부 온도가 5℃ 이하로 내려가면 가동을 하여 운전 중, 내부 온도가 0℃ 이하로 내려가지 않게 제어한다. 따라서, 상기 제 2 예열기(6)가 승온되면 연료전지 시스템(1) 내부 온도를 감지하고 상온의 소정에 온도가 되면 제 2 예열기(6)를 정지하고 내부 온도가 5℃ 이하가 되면 제 2 예열기(6)를 기동하여 연료전지 시스템(1) 내부 온도를 상온으로 유지한다(단계 S1130).

1...연료전지 시스템
2...연료전지 스택
3...연료처리장치(개질 장치)
4...제 1 예열기
5...부동액 탱크
6...제 2 예열기
7...방열기
10...막가습기
21...연료극
22...절연막
23...공기극
31...자열개질 반응(auto-thermal reforming, ATR) 유닛
32...수성가스전환반응(water-gas shift, WGS)유닛
33...열교환기
35...연료극 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer)
37...선택적 산화 반응부 유닛
101...수소 공급 배관
102...수소 출구 배관
103...스택 냉각 펌프
104...공기 공급관
105...공기 출구관
201...연료처리장치 냉각 펌프
202...순수 공급 펌프
203...이중관
204...부동액 순환 통로
205...개질 반응기
206...개질기 내부 열교환기
207...순수 공급 통로
301...부동액 분기관
302...2차 전지 모듈
303...순수 탱크
304...제 1배관
304...순수 탱크 내부 열교환기 및 이중관
306...펌프 및 밸브 해동 덕트
307...내부 순환 펌프
308...제 2배관
309...밸브 해동 덕트
310...예열기 배기관
311...공기 예열기 배기관
401...수소 입구 밸브
402...수소 출구 밸브
403...바이패스 밸브
404...응축수 밸브(Drain)

Claims (25)

1. 수소 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시켜 발생한 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택;
   상기 연료전지 스택에 의해 상기 연료전지 스택과 연결 설치되어, 연료, 순수(pure water) 및 공기의 개질반응에 의해 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 그 개질 가스를 상기 연료전지 스택에 공급하는 연료 처리 장치;
   상기 연료 처리 장치와 연결 설치되어, 상기 순수를 상기 연료 처리 장치에 공급하고, 내부에 해동을 위한 열교환기 구조를 가지는 순수 탱크;
   상기 연료전지 스택과 연결 설치되어, 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하기 위한 막가습기;
   저온시 부동액을 저장하는 부동액 탱크를 승온하여 승온된 부동액을 순환시켜 전기 에너지를 충전하는 2차 전지 모듈을 승온하여 해동하고 상기 승온된 부동액을 상기 열교환기 구조로 순환시켜 상기 순수 탱크를 해동하여, 연료 처리 장치, 및 연료전지 스택을 해동하는 제 1 예열기; 및
   내부 찬공기를 이용하여 내부 온도를 승온시키는 제 2 예열기;를 포함하되,
   상기 제 2 예열기에 의한 배기 가스에 의해 해동되도록 상기 순수 탱크의 순수를 공급하는 순수공급 펌프와 응축수를 배출하는 응축수밸브가 덕트 구조내에 인접하게 배치되고,
   상기 제 1 예열기에 의한 배기 가스에 의해 해동되도록 상기 연료 처리 장치와 연료전지 스택간 연결되는 다수의 밸브들이 덕트 구조내에 배치되고,
   상기 제 1 예열기 및 제 2 예열기는 저온환경에서 연소 가능한 예열장치로서 가솔린 연소 방식을 이용하여 배기 가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 연료 처리 장치는,
   연료, 공기를 공급받아 개질 반응을 수행하는 자열개질 반응(auto-thermal reforming, ATR) 유닛; 개질 반응에 따라 생성된 CO를 제거하는 수성가스전환반응(water-gas shift, WGS)유닛; CO가스와 공기중 산소와 반응시켜 연료전지 스택에 수소가 포함된 가스를 공급하는 선택적 산화 반응부 유닛; 미반응 산소를 연소 배출하는 연료극 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer); 및 수성가스전환반응(water-gas shift, WGS)유닛; 선택적 산화 반응부 유닛 사이에 열을 교환하는 열교환기; 및 상기 유닛들을 센싱하는 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   자열개질 반응 유닛 및 수성가스전환 반응 유닛을 위한 전기 히터가 설치되는 것을 특징으로 하는 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템.
   
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 예열기의 출구는 분기관과 연결되되, 상기 분기관은 상기 순수탱크를 해동하기 위한 제 1 배관과 상기 2차 전지 모듈을 해동하기 위한 제 2 배관을 갖는 것을 특징으로 하는 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템.
   
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 순수탱크는 순수 공급 펌프의 입구와 순수 탱크 연결배관을 부동액이 흐를 수 있는 이중관으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템.
   
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 순수 탱크에는 스택 냉각수 펌프가 연결되고, 상기 제 1 예열기는 승온된 부동액을 스택 냉각 계통으로 순환하여 상기 연료전지스택의 연료극, 공기극의 결로수와 응축수를 해동하는 것을 특징으로 하는 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 예열기는 승온된 부동액이 제 1 배관을 통하여 상기 순수탱크를 해동하고 제 2 배관을 통하여 상기 2차 전지 모듈의 외함에 부동액이 순환하여 해동하는 것을 특징으로 하는 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템.
    
11. 삭제
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 예열기의 내측에 순환펌프가 설치되고, 냉각수 입구, 냉각수 출구, 공기 흡입구, 및 배기출구를 가지는 것을 특징으로 하는 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템.
    
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 예열기의 내측에는 블로어가 설치되고, 공기입구, 공기출구, 공기흡입구, 및 배기출구를 가지는 것을 특징으로 하는 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템.
    
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 예열기는 연료전지 저온에서 내부의 주변기기와 배관 표면의 응축수를 건조하는 것을 특징으로 하는 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템.
    
15. 삭제
16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 예열기의 배기가스는 막가습기 외부를 해동하며 상기 배기 가스 덕트 내에 막가습기를 위치되며, 상기 순수펌프, 응축수 펌프, 막가습기는 순서에 관계없이 위치하고 해동되는 것을 특징으로 하는 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템.
    
17. 제 2 항에 있어서,
    상기 열교환기에서 발생한 열을 상기 부동액 탱크에 공급하는 방열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템.
    
18. 제 1 항 내지 제 3항, 제 5 항, 제 7 항, 제 9 항 내지 제 10 항, 제 12 항 내지 제 14 항, 제 16 항, 및 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템의 운전 방법에 있어서,
    a) 상기 연료전지시스템을 저온 기동하는 단계;
    b) 상기 제 1 예열기 및 제 2 예열기를 동작하여 예열 및 해동하는 단계;
    c) 예열 및 해동이 이루어짐에 따라 연료처지장치 및 연료전지 스택이 동작함에 따라 연료전지 스택이 발전하는 단계; 및
    d) 상기 연료전지 시스템을 상온으로 유지하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
    
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    b-1) 제 1 예열기를 동작하여 부동액 탱크, 2차 전지 모듈의 승온과 순수탱크 해동하는 단계;
    b-2) 제 3 예열기를 동작하여 연료전지 시스템 내부 온도를 승온하는 단계;
    b-3) 연료처리장치 냉각수 펌프를 동작하여 연료처리장치를 해동하는 단계;
    b-4) 스택 냉각수 펌프를 동작하여 연료전지 스택을 해동하는 단계; 및
    b-5) 설정된 온도를 체크하여 해동을 판단하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
    
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 b-1)단계 및 b-2) 단계는 동시에 진행된 후, 상기 b-3) 단계 및 b-4) 단계를 동시에 진행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
    
21. 제 19 항에 있어서,
    상기 b-5) 단계는,
    연료전지 시스템이 기동되면 제 1 예열기 및 제 2 예열기를 기동하는 단계;
    상기 부동액 탱크의 온도 상승을 감지하고, 설정 온도가 되는 지를 판단하는 단계;
    연료처리장치 냉각수 펌프 및 스택 냉각수 펌프를 동작하여 연료처리장치의 순수 공급 이중관과 연료처리장치, 연료전지 스택을 해동하는 단계; 및
    순수탱크 온도, 스택 냉각수 출구온도, 연료전지 시스템 내부 온도가 소정의 값 이상이면 해동이 되었다고 판단하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
    
22. 제 18 항에 있어서,
    상기 c) 단계는, c-1) 연료처리 장치를 동작시키는 단계; 및 c-2)연료전지 스택에 따라 발전하여 2차 전지 모듈에 충전하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
    
23. 제 19 항에 있어서,
    상기 b-5) )단계는,
    연료처리 장치의 전기 히터를 동작하는 단계;
    상기 전기 히터를 on/off 제어를 하고 반응 유닛들의 온도가 설정 온도까지 승온하는지 대기하는 단계;
    상기 설정 온도가 되면 바이패스 밸브를 열고, 연료공급, 순수공급, 공기공급하는 단계;
    자열개질 반응(ATR) 유닛의 온도, 성가스전환반응(WGS) 유닛의 온도, 선택적 산화 반응부 유닛의 온도가 설정 온도가 되면 수소공급 안정화를 위한 일정 시간 대기하는 단계;
    스택 수소 공급용 입구밸브와 출구 밸브를 열고, 바이패스 밸브를 닫는 단계;
    연료전지 스택에 초기 전류를 인가하는 단계;
    스택 공기 입구 온도 상승을 확인하는 단계 및 목표 전류값으로 발전하고 2차 전지 모듈을 충전을 하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
    
24. 제 18 항에 있어서,
    상기 d)단계는,
    스택 냉각수 출구 온도가 미리 설정된 제 1 소정 온도 이상이 되면 예열기를 정지하고, 제 1 소정 온도 이하가 되면 재 기동하여 상온으로 유지하는 단계; 및
    상기 제 2 예열기가 승온되면 연료전지 시스템 내부 온도를 감지하고 미리 설정된 상온의 제 2 소정 온도가 되면 제 2 예열기를 정지하고, 내부온도가 미리 설정된 제 3 소정 온도 이하가 되면 제 2 예열기를 기동하여 내부 온도를 상온으로 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
    
25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 소정 온도는 45℃이고, 상기 제 3 소정 온도는 5℃인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.

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