KR101653372B1 - 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법 - Google Patents

연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전 시스템의 예열운전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진과 연료전지를 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법에 있어서, 제 1 엔진 모드에 있는 엔진(100)의 배기가스와 열교환된 N2가 연료전지 스택(200)의 공기극(cathode)을 순환하여 연료전지를 예열하는 제 1 단계(S1); 제 1 엔진 모드에 있는 엔진(100)의 배기가스가 연료전지 스택(200)의 공기극(cathode)에 공급되어 연료전지 스택(200)을 예열하고, 연료전지 스택(200)의 연료극(anode)에 연료가 정격출력조건의 10% 미만으로 공급되는 제 2 단계(S2); 제 1 엔진 모드에 있는 엔진(100)의 배기가스가 연료전지 스택(200)의 공기극(cathode)에 공급되어 연료전지 스택(200)을 예열하고, 연료전지 스택(200)의 연료극(anode)에 연료가 정격출력조건의 10% 이상으로 공급되는 제 3 단계(S3); 및 제 2 엔진 모드에 있는 엔진(100)의 배기가스가 연료전지 스택(200)의 공기극(cathode)에 공급되어 연료전지 스택(200)을 예열하고, 연료전지 스택(200)의 연료극(anode)에 연료가 정격출력조건의 10% 이상으로 공급되는 제 4 단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법을 제공한다.

Description

연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법{METHOD OF WARMING-UP IN FUEL CELL-ENGINE HYBRID SYSTEM}
본 발명은 발전 시스템의 예열운전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지를 엔진과 조합한 연료전지-엔진 하이브리드 시스템에서 통합운전에 돌입하기 전에 연료전지를 예열하기 위한 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극에 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 시스템을 말한다.
이러한 연료전지의 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.
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.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법을 도시한 블록도이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 종래 기술에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템은 엔진(10), 연료전지 스택(20), 및 전기히터(40)를 포함한다.
통상적으로 연료전지-엔진 하이브리드 시스템은 통합운전에 돌입하기 전에 고온형 연료전지의 특성상 연료전지의 예열운전이 필요하다. 도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템은 연료전지 스택(20)을 예열하기 위한 목적으로 별도의 전기히터(40)를 이용하여 연료전지 스택(20)의 공기극으로 유입되는 가스의 온도를 승온시켜 예열하였다.
그러나, 별도의 전기히터(40)를 이용하여 연료전지 스택(20)을 예열하는 종래의 기술은 다음과 같은 문제점이 있다. 첫째로, 전기히터(40)가 고온형 연료전지 스택(20)을 예열하기 위해 필요로 하는 전력량이 과다하다. 둘째로, 고온형 연료전지 스택(20)의 작동온도는 전기히터(40)로 승온시키기에 비교적 높은 편이어서 전기히터(40)의 부피가 클 수 밖에 없다. 셋째로, 연료전지(20) 스택을 예열한 후 전기히터(40)는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템에서 불필요하기 때문에 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 부피만 차지하게 된다.
대한민국 등록특허 제10-1079670호
상술한 문제점을 고려하여, 본 발명은 과다한 전력량을 소모하는 전기히터를 대체함으로써 경제적으로 연료전지를 예열할 수 있는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 연료전지의 예열운전에 엔진을 도입함으로써 발생할 수 있는 시스템의 불안정을 해소할 수 있는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 연료전지의 예열운전 시에 엔진을 통한 추가적인 전력 생산을 수행할 수 있는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법을 제공한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 엔진과 연료전지를 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법에 있어서, 제 1 엔진 모드에 있는 엔진의 배기가스와 열교환된 N2가 연료전지 스택의 공기극(cathode)을 순환하여 연료전지 스택을 예열하는 단계(S1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법을 제공한다.
본 발명은 엔진과 연료전지를 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법에 있어서, 제 1 엔진 모드에 있는 엔진의 배기가스가 연료전지 스택의 공기극(cathode)에 공급되어 연료전지 스택을 예열하고, 연료전지 스택의 연료극(anode)에 연료가 정격출력조건의 10% 미만으로 공급되는 단계(S2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법을 제공한다.
본 발명은 엔진과 연료전지를 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법에 있어서, 제 1 엔진 모드에 있는 엔진의 배기가스가 연료전지 스택의 공기극(cathode)에 공급되어 연료전지 스택을 예열하고, 연료전지 스택의 연료극(anode)에 연료가 정격출력조건의 10% 이상으로 공급되는 단계(S3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법을 제공한다.
본 발명은 엔진과 연료전지를 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법에 있어서, 제 2 엔진 모드에 있는 엔진의 배기가스가 연료전지 스택의 공기극(cathode)에 공급되어 연료전지 스택을 예열하고, 연료전지 스택의 연료극(anode)에 연료가 정격출력조건의 10% 이상으로 공급되는 단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법을 제공한다.
본 발명은 엔진과 연료전지를 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법에 있어서, 제 1 엔진 모드에 있는 엔진의 배기가스와 열교환된 N2가연료전지 스택의 공기극(cathode)을 순환하여 연료전지를 예열하는 제 1 단계(S1); 제 1 엔진 모드에 있는 엔진의 배기가스가 연료전지 스택의 공기극(cathode)에 공급되어 연료전지 스택을 예열하고, 연료전지 스택의 연료극(anode)에 연료가 정격출력조건의 10% 미만으로 공급되는 제 2 단계(S2); 제 1 엔진 모드에 있는 엔진의 배기가스가 연료전지 스택의 공기극(cathode)에 공급되어 연료전지 스택을 예열하고, 연료전지 스택의 연료극(anode)에 연료가 정격출력조건의 10% 이상으로 공급되는 제 3 단계(S3); 및 제 2 엔진 모드에 있는 엔진의 배기가스가 연료전지 스택의 공기극(cathode)에 공급되어 연료전지 스택을 예열하고, 연료전지 스택의 연료극(anode)에 연료가 정격출력조건의 10% 이상으로 공급되는 제 4 단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 제 1 엔진 모드는 스파크 점화 또는 압축착화 점화 방식일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제 2 엔진 모드는 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 방식일 수 있다.
바람직하게는, 제 1 단계(S1)와 제 2 단계(S2)에서 상기 엔진(100)은 전력을 생산할 수 있다.
바람직하게는, 제 3 단계(S3)와 제 4 단계(S4)에서 상기 엔진(100)와 상기 연료전지 스택(200)은 전력을 생산할 수 있다.
바람직하게는, 연료전지 스택(200)은 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물형 연료전지(SOFC)이고, 제 1 단계(S1)에서 연료전지 스택의 온도를 25℃ 내지 500℃로 승온시키고, 제 2 단계(S2)에서 연료전지 스택의 온도를 500℃ 내지 590℃로 승온시키고, 제 3 단계(S3)에서 연료전지 스택의 온도를 590℃ 내지 600℃로 승온시키고, 제 4 단계(S4)에서 연료전지 스택의 온도를 600℃ 이상으로 승온시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연료전지를 예열하기 위해 이용되는 종래의 전기히터를 대체하기 위해 엔진을 예열운전에 도입함으로써, 과다한 전력량을 소모하는 전기히터를 대체할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 동안 엔진의 엔진 모드를 변경함으로써, 예열운전과 통합운전 사이에 운전조건의 상이함으로 인해 초래될 수 있는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 불안정을 해소할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명에 의하면, 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 동안 엔진에서 전력을 생산함으로써, 기존 연료전지-엔진 하이브리드 시스템에 비해 예열운전 동안 지속적으로 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법을 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 통합운전 방법을 도시하는 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법의 제 1 단계(S1)를 도시하는 블록도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법의 제 2 단계(S2)를 도시하는 블록도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법의 제 3 단계(S3)를 도시하는 블록도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법의 제 4 단계(S4)를 도시하는 블록도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운정 방법의 제 3 단계(S3) 및 제 4 단계(S4)의 운전 조건을 나타내는 그래프.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 의한 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법의 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.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 통합운전 방법을 도시하는 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템은 엔진(100), 연료전지 스택(200), 개질기(120), 산화제 공급부(130), 스팀생성부(140), 및 연료공급부(110)로 이루어진다.
엔진(100)은 예혼합압축자기착화 또는 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진을 사용하는 것이 바람직하다. HCCI 엔진은 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 장점만을 갖는 엔진으로서, 연료전지 연료극(anode)에서 반응 후 빠져나오는 연료가스와 같이 수소와 일산화탄소의 비율이 낮은 경우에도 점화가 가능하기 때문에 효과적인 동력 생산이 가능하며, 수소와 일산화탄소의 비율이 낮기 때문에 연소 온도가 낮아져 질소 산화물의 생성을 예방할 수 있다는 이점이 있다.
연료전지 스택(200)은 용융탄산염형 연료전지(MCFC)의 경우 산소와 이산화탄소가 반응해서 탄산이온이 발생되는 공기극(cathode), 및 수소와 공기극으로부터 공급받은 탄산이온이 반응해서 물과 이산화탄소가 포함된 배출가스와 전기가 발생되는 연료극(anode)으로 구성되며, 또한 고체산화물형 연료전지(SOFC)의 경우 산소이온이 발생되는 공기극 및 수소와 공기극으로부터 공급받은 산소이온이 반응해서 물이 포함된 배출가스와 전기가 발생되는 연료극으로 구성된다.
개질기(120)는 연료전지 스택(200)의 연료극(anode)에 수소를 공급하기 위한 장치로서, 연료공급부(110)로부터 수소를 함유한 일반연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스, 메탄올 등)를 연료전지에 요구되는 다량의 수소를 포함하는 가스로 변환시키는 역할을 한다. 스팀생성부(140)가 추가로 설치되어 개질기(120)에 스팀을 공급할 수 있다.
산화제 공급부(130)는 연료전지 스택(200)의 공기극(cathode)에 질소, 및 산소를 포함하는 공기를 공급하여, 공기극(cathode)에서 탄산이온이 발생할 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법의 제 1 단계(S1)를 도시하는 블록도이다.
도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법의 제 1 단계(S1)는 엔진(100), 연료전지 스택(200), 및 열교환기(300)를 포함하는 구성을 통해 이루어진다.
엔진(100)은 제 1 엔진 모드에서 구동될 수 있다. 예를 들면, 제 1 단계(S1)에서 엔진(100)은 디젤 엔진을 이용하여 압축착화 점화 방식으로 구동가능하다. 디젤 엔진은 보통 20:1 정도의 고압에 액체 연료를 안개처럼 뿌려서 자체 폭발을 유도한다. 이는 경유를 비롯한 디젤 연료들은 400~500℃의 온도에서 자체 폭발을 일으키기 때문에 가능한 것이며, 자체 폭발을 일으키면 골고루 동시에 폭발을 하게 되기 때문에 연료의 연소율이 높아지고 결과적으로 연비가 좋아지는 효과가 있다.
또한, 엔진(100)은 제 1 단계(S1)에서 가솔린 엔진을 사용하여 스파크 점화 방식으로 구동할 수도 있다. 가솔린 엔진은 공기와 연료를 섞은 혼합기에 점화장치가 불꽃을 터뜨려 폭발시키는 방식이다. 제 1 단계(S1)에서 엔진(100)은 연소 후에 배기가스를 배출시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 제 1 단계(S1)에서 엔진(100)은 전력을 생산할 수 있다.
연료전지 스택(200)은 다양한 종류의 연료전지 타입을 이용하여 구성할 수 있다. 연료전지는 전기화학 반응에 의해 수소와 산소의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서, 사용하는 전해질의 종류에 따라, 150~200℃ 부근에서 동작하는 인산형 연료전지(PAFC; Phosphric Acid Fuel Cell), 600~700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell), 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell), 상온 내지 100℃ 이하에서 동작하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지(AFC; Alkaline Fuel Cell) 등으로 분류된다.
이들 각각의 연료전지는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질 등이 서로 다르지만, 근본적으로 같은 원리에서 작동한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 연료전지 스택(200)은 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물형 연료전지(SOFC)를 이용한다. 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 예열운전 방법의 설명에서 특정한 온도를 지정하여 예열하는 경우에는, 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물형 연료전지(SOFC)를 연료전지 스택(200)으로 사용하는 경우이다.
열교환기(300)는 엔진(100)에서 배출된 배기가스와 연료전지 스택(200)에서 배출되는 N2 사이에 열교환이 이루어질 수 있도록 형성된다. 즉, 엔진(100)에 연료를 공급하여 엔진(100)의 연소 후에 배출된 배기가스의 열을 열교환기(300)를 통해 N2에 전달한다. 승온된 N2는 연료전지 스택(200)의 공기극(cathode)으로 들어가 퍼지(purge)와 예열을 동시에 수행한다.
제 1 단계(S1)에서 연료전지 스택(200)의 온도는 25℃ 내지 500℃일 수 있다. 연료전지 스택(200)의 온도는 별도의 온도검출수단을 설치하여 검출할 수 있다.
도 3에서 알 수 있듯이, 제 1 단계(S1)에서는 연료전지 스택(200)에 연료가 공급되지 않는다. 따라서, 연료전지 스택(200)에서 전력이 생산되지 않는다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법의 제 2 단계(S2)를 도시하는 블록도이다.
도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법의 제 2 단계(S2)는 엔진(100), 및 연료전지 스택(200)을 포함하는 구성을 통해 이루어진다.
엔진(100)은 제 1 단계(S1)에서와 같이, 제 1 엔진 모드에서 구동될 수 있다. 제 1 엔진 모드에 관해서는 제 1 단계(S1)의 설명에서 상술한 바와 같다. 마찬가지로, 제 2 단계(S1)에서 엔진(100)은 전력을 생산할 수 있다.
제 2 단계(S2)에서 엔진(100)의 연소 후 배기가스는 제 1 단계(S1)에서는 달리 열교환기를 거치지 않고, 직접 연료전지 스택(200)의 공기극(cathode)에 공급되어 연료전지 스택(200)을 예열시킨다.
제 2 단계(S2)에서 제 1 단계(S1)에서와 달리 연료전지 스택(200)에 연료가 공급되기 시작한다. 연료전지 스택(200)에 공급되는 연료는 정격출력조건의 10% 미만으로 공급되는 것이 바람직하다.
제 2 단계(S2)에서 연료전지 스택(200)의 온도는 500℃ 내지 590℃일 수 있다.
도 4에서 알 수 있듯이, 제 2 단계(S2)에서 연료전지 스택(200)에 연료가 일부 공급되지만, 제 1 단계(S1)에서와 마찬가지로 전력은 생산되지 않는다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법의 제 3 단계(S3)를 도시하는 블록도이다.
도 5에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법의 제 3 단계(S3)는 엔진(100), 및 연료전지 스택(200)을 포함하는 구성을 통해 이루어진다.
엔진(100)은 제 1 단계(S1) 내지 제 2 단계(S2)와 같이, 제 1 엔진 모드에서 구동될 수 있다. 제 1 엔진 모드에 관해서는, 제 1 단계(S1)에서 상술한 바를 참조한다. 마찬가지로 제 3 단계(S3)에서 엔진(100)은 전력을 생산할 수 있다.
제 3 단계(S3)에서 엔진(100)의 연소 후 배기가스는 제 2 단계(S2)에서와 같이 직접 연료전지 스택(200)의 공기극(cathode)에 공급되어 연료전지 스택(200)을 예열시킨다.
제 3 단계(S3)에서 제 2 단계(S2)에와 같이 연료전지 스택(200)에 연료가 공급되지만, 연료공급율은 제 1 단계(S1)와 달리 설정한다. 즉, 정격출력조건의 10% 이상 100% 이하의 연료를 연료전지 스택(200)에 공급할 수 있다.
제 3 단계(S3)에서 연료전지 스택(200)의 온도는 590℃ 내지 600℃일 수 있다.
도 5에서 알 수 있듯이, 제 3 단계(S3)에서 연료전지 스택(200)에 연료가 공급되어, 제 2 단계(S2)에서와 달리 전력이 생산될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법의 제 4 단계(S4)를 도시하는 블록도이다.
도 6에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법의 제 4 단계(S4)는 엔진(100), 및 연료전지 스택(200)으로 이루어진다.
엔진(100)은 제 1 단계(S1) 내지 제 3 단계(S3)와 달리, 제 2 엔진 모드에서 구동될 수 있다. 예를 들면, 제 4 단계(S4)에서 엔진(100)은 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 방식으로 구동될 수 있다. HCCI 방식은 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 장점만을 갖는 엔진 구동 방식으로서, 수소와 일산화탄소의 비율이 낮은 경우에도 점화가 가능하기 때문에 효과적인 동력 생산이 가능하며, 수소와 일산화탄소의 비율이 낮기 때문에 연소 온도가 낮아져 질소 산화물의 생성을 예방할 수 있다는 이점이 있다.
상술한 바와 같은 제 4 단계(S4)에서 엔진(100)은 전력을 생산할 수 있다.
제 3 단계(S3) 내지 제 4 단계(S4)에서는 연료전지 스택(200)의 연료공급율과 연료이용율을 0%에서 통합운전에서의 연료공급율과 연료이용율까지 일정한 비율로 서서히 증가시킬 수 있다. 이러한 과정에서 엔진(100)의 안정적인 운전을 위해 엔진(100)의 운전 모드의 변경을 수행할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 있어서, 연료전지 스택(200)의 연료이용율이 높아질수록 엔진(100)에 유입되는 연료의 조성비가 희박하게 되어 제 1 엔진 모드, 예를 들면, 가솔린 엔진과 같은 스파크 점화 방식에서는 안정된 운전조건을 벗어나게 된다. 따라서, 제 2 엔진 모드, 예를 들면, HCCI 방식과 같은 새로운 엔진 모드로 운전할 필요가 있다.
제 4 단계(S4)에서 엔진(100)의 연소 후 배기가스는 제 3 단계(S3)에서와 같이 직접 연료전지 스택(200)의 공기극(cathode)에 공급되어 연료전지 스택(200)을 예열시킨다.
제 4 단계(S4)에서 제 3 단계(S3)에와 같이 연료전지 스택(200)에 연료를 공급할 수 있다. 즉, 정격출력조건의 10% 이상 100% 이하의 연료를 연료전지 스택(200)에 공급할 수 있다. 다만, 제 4 단계(S4)에서는 제 3 단계(S3)에서 보다 연료공급율을 더 높이는 것도 가능하다.
제 4 단계(S4)에서 연료전지 스택(200)의 온도는 600℃ 이상일 수 있다.
도 6에서 알 수 있듯이, 제 4 단계(S4)에서 연료전지 스택(200)에 연료가 공급되어, 제 3 단계(S3)에서와 같이 전력을 생산할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운정 방법의 제 3 단계(S3) 및 제 4 단계(S4)의 운전 조건을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, A는 제 3 단계(S3)에서의 안전 운전 조건, B는 제 4 단계(S4)에서의 안전 운전 조건을 나타낸다.
도 7에서 알 수 있듯이, 연료전지 스택(200)의 연료공급율이 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 설계 운전 조건(전 부하 설계 포인트)에 근접해갈 수록, 제 1 엔진 모드(예를 들면, 스파크 점화 또는 압축착화 점화 방식)보다는 제 2 엔진 모드(예를 들면, HCCI 방식)가 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 안정성에 더욱 적합한 엔진 모드이다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 엔진 110: 연료공급부
120: 개질기 130: 산화제 공급부
140: 스팀생성부 200: 연료전지 스택
300: 열교환기

Claims (16)

  1. 엔진과 연료전지를 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법에 있어서,
    제 1 엔진 모드에 있는 엔진(100)의 배기가스와 열교환된 N2가 연료전지 스택(200)의 공기극(cathode)을 순환하여 연료전지 스택(200)을 예열하는 제 1 단계(S1);
    제 1 엔진 모드에 있는 엔진(100)의 배기가스가 연료전지 스택(200)의 공기극(cathode)에 공급되어 연료전지 스택(200)을 예열하고, 연료전지 스택(200)의 연료극(anode)에 연료가 정격출력조건의 10% 미만으로 공급되는 제 2 단계(S2);
    제 1 엔진 모드에 있는 엔진(100)의 배기가스가 연료전지 스택(200)의 공기극(cathode)에 공급되어 연료전지 스택(200)을 예열하고, 연료전지 스택(200)의 연료극(anode)에 연료가 정격출력조건의 10% 이상으로 공급되는 제 3 단계(S3); 및
    제 2 엔진 모드에 있는 엔진(100)의 배기가스가 연료전지 스택(200)의 공기극(cathode)에 공급되어 연료전지 스택(200)을 예열하고, 연료전지 스택(200)의 연료극(anode)에 연료가 정격출력조건의 10% 이상으로 공급되는 제 4 단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 단계의 상기 제 1 엔진 모드는 스파크 점화 또는 압축착화 점화 방식인 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 단계의 상기 엔진(100)은 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 단계의 상기 제 1 엔진 모드는 스파크 점화 또는 압축착화 점화 방식인 것을 특징을 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 단계의 상기 엔진(100)은 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제 3 단계의 제 1 엔진 모드는 스파크 점화 또는 압축착화 점화 방식인 것을 특징을 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제 3 단계의 상기 엔진(100)과 상기 연료전지 스택(200)은 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제 4 단계의 제 2 엔진 모드는 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 방식인 것을 특징을 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제 4 단계의 상기 엔진(100)과 상기 연료전지 스택(200)은 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    제 1 엔진 모드는 스파크 점화 또는 압축착화 점화 방식이고,
    제 2 엔진 모드는 HCCI 방식인 것을 특징을 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    연료전지 스택(200)은 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물형 연료전지(SOFC)이고,
    제 1 단계(S1)에서 연료전지 스택(200)의 온도를 25℃ 내지 500℃로 승온시키고,
    제 2 단계(S2)에서 연료전지 스택(200)의 온도를 500℃ 내지 590℃로 승온시키고,
    제 3 단계(S3)에서 연료전지 스택(200)의 온도를 590℃ 내지 600℃로 승온시키고,
    제 4 단계(S4)에서 연료전지 스택(200)의 온도를 600℃ 이상으로 승온시키는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    제 1 단계(S1)와 제 2 단계(S2)에서 상기 엔진(100)은 전력을 생산하고,
    제 3 단계(S3)와 제 4 단계(S4)에서 상기 엔진(100)과 상기 연료전지 스택(200)은 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 예열운전 방법.
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