KR101684294B1 - 비정상 종료 후 초기화된 연료전지 시스템의 안전 종료 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비정상 종료 후 초기화된 연료전지 시스템의 안전 종료 제어 방법에 관한 것으로, 시스템의 정상동작 상태 중 일시적인 배터리 전력공급이 중단된 뒤에 초기화되었을 때, 연료전지 시스템이 운전 중 상기 배터리의 일시적 전원공급 중단으로 비정상 종료되는 단계; 연료전지 시스템의 초기화 단계; 개질기의 온도가 개질촉매 활성화 온도의 하한온도 이상인 경우는 안전종료모드로 진입하고, 상기 개질기의 온도가 상기 개질촉매 활성화를 위한 하한온도보다 작고, 상기 시동스위치가 온이면 연료전지 시스템을 정상운전하고, 개질기의 온도가 상기 개질촉매 활성화를 위한 하한온도보다 작고, 상기 시동스위치가 오프이면 대기모드로 진입하는 것을 특징으로 하는 비정상 종료 후 초기화된 연료전지 시스템의 안전 종료 제어 방법에 관한 것으로, 일시적인 배터리 전원공급 중단 후 초기화되더라도 개질기 손상없이 연료전지 시스템의 운전을 연속적으로 수행하거나, 개질기 손상이 염려되는 온도범위에서는 퍼징 후 연료전지시스템을 종료 시킴으로서 개질기 손상을 방지할 수 있다.

Description

비정상 종료 후 초기화된 연료전지 시스템의 안전 종료 제어 방법{Method of Safely Ending Control the Fuel Cell System After Abnormal Shut Down and Successive Reset}

본 발명은 연료전지 시스템이 비정상 종료 된 후, 곧이어 자동적으로 초기화될 때의 안전한 연료전지 시스템 제어방법에 관한 것으로, 구체적으로는 배터리로부터의 전원공급이 일시적으로 중단되고 나서 초기화되는 연료전지 시스템을 안전하게 종료 제어하는 방법에 관한 것이다.

연료전지 시스템은 연료전지를 이용한 발전기 및 생성된 전력을 저장하는 배터리로 구성되는데, 연료전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소를, 산소 혹은 산소를 포함한 공기와의 화학 반응을 통해 전기 에너지로 변환시켜 외부부하에 공급하거나 배터리에 충전하는 발전 시스템이다.

연료전지는 수소가 함유된 기존 연료를 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차, 주택 및 공공건물 등의 대체 전력원으로 응용 범위가 넓은 장점을 갖는다. 구체적으로 연료전지는 기본적으로 스택(stack), 개질기, BOP(Balance Of Plants) 등을 구비한다. BOP는 연료탱크, 연료 펌프 및 밸브 등으로 스택(stack) 및 개질기의 동작을 주변에서 보조하는 주변기계장치를 의미한다.

연료전지 시스템 중 소형으로 이동이 가능한 것을 이동형 연료전지 시스템 이라하며, 이동형 연료전지 시스템의 경우에는 원활한 전력생성과 공급이 중요하며, 이동형인 만큼 비정상 종료와 같은 돌발적인 운전상황에 노출될 수 있어, 연료전지 시스템 내외부의 비정상적인 상황에 대한 운전 방법이 필요하다.

KR 10-2008-0084372 A, 2008. 09. 19, 도면 1

본 발명의 목적은 시스템의 동작 중 일시적으로 배터리로부터 전원 공급이 중단된 경우에 연료전지 시스템은 초기화되는 데, 이때 개질기의 손상을 방지하기 위해 연료전지 시스템을 안전하게 종료하도록 제어하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 비정상 종료 후 초기화된 연료전지 시스템의 안전 종료 제어 방법은 촉매형 개질기와 BOP(Balance Of Plants)와 스택을 구비하는 발전기, 상기 발전기로부터 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급하기 위한 DC 출력부 및 배터리를 구비한 연료전지 시스템의 안전 종료정지 제어방법에 있어서, 상기 연료전지 시스템이 운전 중 상기 배터리의 일시적 전원공급 중단으로 비정상 종료되는 단계; 상기 연료전지 시스템의 초기화 단계; 상기 개질기의 온도가 개질촉매 활성화 온도의 하한온도 이상인 경우는 안전종료모드로 진입하는 단계;를 포함하며, 상기 개질기의 온도가 상기 개질촉매 활성화를 위한 하한온도보다 작고, 상기 시동스위치가 온이면 상기 연료전지 시스템을 정상운전하고, 상기 개질기의 온도가 상기 개질촉매 활성화를 위한 하한온도보다 작고, 상기 시동스위치가 오프이면 대기모드로 진입하며, 상기 안전종료모드는 상기 개질기 내 잔류가스 퍼징 후에 대기모드로 진입한다. 상기 일시적인 배터리 전원공급 중단은 전기적 과부하 또는 서지전압에 의해 발생하는 동시에, 상기 개질촉매 활성화 온도의 범위에서 발생하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명에 따른 비정상 종료 후 초기화된 연료전지 시스템의 안전 종료 제어 방법은 일시적인 배터리 전원공급 중단 후 초기화되더라도 개질기 손상없이 연료전지 시스템의 운전을 연속적으로 수행하거나, 개질기 손상이 염려되는 온도범위에서는 퍼징 후 연료전지시스템을 종료 시킴으로서 개질기 손상을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 연료전지 시스템의 블록도이다
도 2는 본 발명의 연료전지 시스템 운전단계 별 촉매개질기의 온도 변화이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정상 종료 후 초기화된 연료전지 시스템의 안전 종료 제어 절차도이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 비정상 종료 후 초기화된 연료전지 시스템의 안전 종료 제어 방법에 대해 설명한다. 도면들에 표시된 구성들은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 개념도로서, 구성에 대한 설명 중 공지기술에 대한 설명은 생략한다.

이동형 연료전지 시스템에 적용되는 연료는 LPG와 수증기이며, LPG와 수증기가 혼합되어 개질반응이 일어나고, 이로부터 변환된 수소가 연료전지 스택으로 공급되고, 연료전지 스택에서 산소를 함유한 공기와 반응하여 전력을 생성한다. LPG와 수증기의 개질반응이 발생하기위해서는 개질기 내부에 수증기 개질용(steam reforming) 촉매반응기(이하, 촉매반응기)에 개질용 LPG(C3H8)와 수증기(H2O)를 혼합 주입하고, 촉매반응을 위해서는 촉매활성화온도 범위 내에서 운전되도록 촉매온도가 유지되어야 하며, 본 발명에서는 700도 이상의 고온으로 반응시킨다. 수증기 개질용 촉매반응기의 온도를 가열하기 위해서는 개질기 내부 버너에 연료용 LPG와 산소를 혼합 주입하여 연소시킨다.

연료전지 시스템에서는 이런 반응이 일어나고 유지되도록 펌프와 밸브를 통해 유량을 제어하며 이를 BOP(Balance of plant)라고 한다.

이동형 연료전지 시스템은 전원사용이 어려운 외부환경이나 비상발전이 필요한 상황에서 연료가스를 사용해 발전을 한다. 그러므로, 배터리로부터 BOP 구동을 위한 전력공급이 지속적으로 필요하며, 이동형 연료전지 시스템이 구동 중 배터리에 이상 상황에 발생하면 BOP로의 전력공급이 중단되고, BOP 동작이 멈추면 개질기는 내부가 고온인 상태에서 개질기의 내부로 공급되던 LPG, 공기, 수증기 공급도 중단되고, 촉매는 열화현상에 의해 손상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 연료전지 시스템의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 이동형 연료전지 시스템(1)은 발전기(10), DC 출력부(20), 배터리(30), 표시부(40) 및 제어유닛(50)를 포함할 수 있다.

발전기(10)는 개질기(12), 스택(14), 개질기(12)와 스택(14)의 동작을 보조하는 BOP(Balance Of Plants)(16)를 구비하고, 제어유닛(50)의 제어에 의해 전기를 발생한다. BOP(16)는 연료를 저장하는 연료저장부, 연료저장부의 연료를 개질기(12)로 공급하기 위한 펌프 등을 포함할 수 있다.

개질기(12)는 BOP(16)에 의해 공급된 연료를 가열하여 수소를 생성하고, 이를 스택(14)으로 공급한다. 즉 개질기(12)는 펌프에 의해 연료저장부로부터 공급된 연료와 반응하여 수소 등의 개질가스를 생성한다.

개질기(12)는 연료전지 시스템(1)이 시동 온(ON) 되면 웜업(warm up)을 수행한다. 개질기(12)의 웜업은 개질기(12) 내의 촉매가 촉매활성화 온도에 도달되도록 하여 수소를 안정적으로 발생하도록 하기 위해 수행된다.

스택(14)은 개질기(12)로부터 공급된 수소와 같은 개질가스 및 공기를 이용하여 전기화학반응을 일으켜 기전력을 발생한다. 또한 발전기(10)은 이와 같이 발생된 전기를 제어유닛(50)의 제어에 의해 DC 출력부(20)를 통해 발전기(10), 배터리(30) 및 외부부하로 공급한다.

DC 출력부(20)는 발전기(10)에 의해 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급한다. 구체적으로 DC 출력부(20)는 제어유닛(50)의 제어에 의해 발전기(10) 및 외부부하로 직류전력을 공급하기 위한 DC/DC 컨버터(22)와, 제어유닛(20)의 제어에 의해 배터리(30)를 충전하기 위한 충전기(24)를 구비할 수 있다.

DC/DC 컨버터(22)는 발전기(10)에 의해 발생된 직류전기를 제어유닛(50)의 제어에 의해 변환하여 외부부하, 발전기(10) 및 충전기(24)로 공급할 수 있다.

충전기(24)는 발전기(10)에 의해 발생된 전기를 DC/DC 컨버터(22)를 통해 공급받아 배터리(30)를 충전하는 장치로서, 제어유닛(50)의 제어에 의해 동작한다.

배터리(30)는 발전기(10), 외부부하로 제어유닛(50)의 제어에 의해 충전 전력을 공급하거나, 제어유닛(50)의 제어에 의해 DC 출력부(20)로부터 공급된 전기에 의해 충전될 수 있다.

표시부(40)는 제어유닛(50)이 제어에 의해 시스템의 상태를 외부로 표시하기 위한 디스플레이 장치이다. 표시부(40)는 시스템의 정상동작 상태 중 비상정지가 필요한 동작오류가 발생한 경우 제어유닛(50)의 제어에 의해 시스템의 비상정지에 필요한 경고신호를 외부로 표시한다.

구체적으로, 표시부(40)는 시스템의 비상정지가 필요한 경우 제어유닛(50)으로부터 전송되는 제어신호에 대응하여 비상정지에 필요한 경고신호를 생성하여 LED, CRT, LCD 등을 통해 화면으로 표출한다.

이하에서는 제어유닛(50)에 대해 구체적으로 설명한다. 제어유닛(50)은 전술한 각 구성들의 동작을 제어하고 본 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.

제어유닛(50)은 발전기(10)에 의해 발생된 전기에 의해 운용되는 시스템의 정상동작 상태 중 사전에 정해진 비상정지가 필요한 동작오류가 감지된 경우 사전에 정해진 제어루틴을 수행하여 시스템을 비상정지 시킨다.

도 2은 본 발명의 이동형 연료전지 시스템의 촉매반응기의 구간별 온도변화이다. 도 2을 참조하면 다음과 같다.

파워오프(power off)모드는 연료전지 시스템의 배터리가 온(on)되기 전에 전원이 꺼진 상태이거나 연료전지 시스템 구동 후 대기모드에서 전원이 꺼진 상태이며, 이때 촉매반응기의 온도는 촉매활성화 온도의 하한온도보다 작다.여기서, 배터리 온은 파워 온이라고도 한다.

대기(ready)모드는 배터리가 온되어 제어부에 전원이 공급되고 연료전지 시스템에 이상이 없는지를 판단하는 구동준비 상태이며, 시동 온(on)이 되기 전 모드이다. 시동 온은 사용자의 시동스위치 온 신호에 의해 개시된다. 한편, 연료전지 시스템 종료 후가 대기모드가 될 수도 있고, 스택 오프 이후 종료모드가 끝난 후에도 대기모드로 진입된다. 대기 모드에서의 촉매 반응기의 온도는 촉매활성화 온도범위의 하한온도(Ta)보다 작다.

제1구동모드는 시동 온 후에, 개질기 내 버너에서 연소반응에 의해 촉매반응기의 온도를 촉매활성화 온도범위의 상한온도(Ts)까지 상승시키는 구간이며, 스택 온이 되기 전까지 지속된다.

제2구동모드는 촉매반응기의 온도가 촉매활성화 온도범위의 상한온도에서 스택 온이 된 상태로, 상한온도를 유지하는 구간이며, 촉매반응기에서 생성된 수소를 스택에 공급하여 전력을 생산하는 구간이다. 제2구동모드는 스택 오프가 될 때까지 계속된다.

종료모드는 스택 오프 상태로, 정상 운전 후에 시동 스위치 오프로 강제 종료되어 연료전지 시스템의 운전을 멈추거나 연료전지 시스템에 이상이 발생했을 때인 안전종료모드의 경우에 해당한다. 촉매반응기의 온도를 촉매활성화 온도범위의 하한온도까지 낮추고, 개질기 내부에 남아있는 잔류가스와 수증기를 배출시키는 퍼징 구간이다.

안전모드 진입구간이란 제1구동모드, 제2구동모드, 종료모드 중 일시적 원인으로 BOP를 구동하는 배터리 전원공급이 중단된 후, 초기화가 되었을 때 개질기의 손상을 방지하고 안전종료모드로 진입하는 구간을 의미한다.

촉매반응기의 온도가 촉매활성화 온도범위의 상한온도가 되면 버너로의 LPG 공급량을 감소시켜, 스택이 전력을 발생하는 동안 온도안정화(온도평형)을 유지할 수 있다. 때로는 촉매반응기의 온도가 촉매활성화 온도범위의 상한온도가 낮아지고, 이를 촉매활성화 온도범위의 상한온도까지 다시 상승시키는 운전이 반복될 수도 있으므로 본 이동형 연료전지 시스템 촉매반응기의 구간별 온도변화를 도 2의 제1구동모드, 제2구동모드, 정지모드 3가지로만 한정하지는 않는다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 비정상 종료 후 초기화된 연료전지 시스템의 안전 종료 제어 방법이며, 도 2를 참조하면 다음과 같다.

비정상 종료 후 초기화된 연료전지 시스템의 안전 종료 제어 방법은, 촉매형 개질기와, 스택과, 상기 개질기와 스택의 동작을 보조하는 BOP(Balance Of Plants)를 구비하여 전기를 발생하는 발전기; 상기 발전기에 의해 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급하기 위한 DC 출력부; 상기 DC 출력부로부터 공급된 전기에 의해 충전되는 배터리로 이루어진다.

이동형 연료전지 시스템의 운전은 주로 외부환경이나 비상발전에 사용되므로 일시적인 배터리 전원공급 중단은 전기적 과부하 또는 서지전압에 의해 발생할 수 있으며, 특히 개질촉매 활성화 온도의 범위 즉 하한온도와 상한온도 사이에서 발생할 수 있다.

먼저 배터리 전원이 온 상태로 연료전지 시스템이 운전 중에 배터리의 일시적 전원공급 중단으로 배터리로부터 BOP 구동을 위한 전력공급이 중단됨으로서

연료전지 시스템이 비정상으로 종료된다(S100).

이후, 상기 연료전지 시스템은 자동적으로 초기화(리셋) 된다. 초기화란 도1에서 파워오프모드 이후에 파워 온 상태, 즉 배터리 온상태인 대기모드를 의미한다(S200).

S200 단계 이후에 개질기의 온도가 개질촉매 활성화 온도의 하한온도와 비교하는 단계가 있다(S300).

개질기의 온도가 개질촉매 활성화 온도 이상인 경우는 시동스위치 온신호가 없어도 안전종료모드로 진입한다(S400).

개질기의 온도가 개질촉매 활성화를 위한 하한온도보다 작은 경우는 시동스위치가 온인지에 대해 판단한다(S500).

개질기의 온도가 개질촉매 활성화를 위한 하한온도보다 작고, 시동스위치가 온인 경우에 연료전지 시스템을 정상으로 운전한다(S600).

개질기의 온도가 개질촉매 활성화를 위한 하한온도보다 작더라도 시동스위치가 오프인 경우에는 연료전지 시스템을 대기모드로 진입시킨다(S700).

이때, 개질기의 온도란 촉매 활성화나 열화를 판단하기 위해 측정하는 온도로서 결국 개질기 내 촉매반응기 혹은 촉매의 온도이며, 개질촉매 활성화 온도란 촉매반응을 일으키는 온도일 수 있고, 촉매반응과 관련되어 본 발명에서 설정한 임의의 온도 일 수도 있다.

한편, S400의 안전종료모드는 연료전지 시스템을 구동하여, 개질기 내 잔류가스 퍼징 후에 대기모드로 진입하는 것으로, 배터리는 일시적으로 BOP에 전원공급이 중단 된 것일 뿐이므로 연료전지 시스템을 구동하는 것이 가능하다. 이때, 개질기 보호를 위해 버너로의 연료공급은 중단시키고 BOP를 이용하여 개질기 내부에 남아있는 잔류가스를 배출시킨다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 비정상 종료 후 초기화된 연료전지 시스템의 안전 종료 제어 방법은 일시적인 배터리 전원공급 중단 후 초기화되더라도 개질기 손상없이 연료전지 시스템의 운전을 연속적으로 수행하거나, 개질기 손상이 염려되는 온도범위에서는 퍼징 후 연료전지시스템을 종료 시킴으로서 개질기 손상을 방지할 수 있다.

1: 연료전지 시스템
10: 발전기
12: 개질기
14: 스택
16: BOP
20: DC 출력부
22: DC/DC 컨버터
24: 충전기
30: 배터리
40: 표시부
50: 제어유닛
Ts: 촉매활성화 온도범위의 상한온도
Ta: 촉매활성화 온도범위의 하한온도

Claims (6)

1. 촉매형 개질기와 BOP(Balance Of Plants)와 스택을 구비하는 발전기, 상기 발전기로부터 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급하기 위한 DC 출력부 및 배터리를 구비한 연료전지 시스템의 안전 종료정지 제어방법에 있어서,
   상기 연료전지 시스템이 운전 중 상기 배터리의 일시적 전원공급 중단으로 비정상 종료되는 단계;
   상기 연료전지 시스템의 초기화 단계;
   상기 개질기의 온도가 개질촉매 활성화 온도의 하한온도 이상인 경우는 안전종료모드로 진입하는 단계;
   상기 개질기의 온도가 상기 개질촉매 활성화를 위한 하한온도보다 작고, 시동스위치가 온이면 상기 연료전지 시스템을 정상운전하는 단계;
   상기 개질기의 온도가 상기 개질촉매 활성화를 위한 하한온도보다 작고, 상기 시동스위치가 오프이면 대기모드로 진입하는 것을 특징으로 하는 비정상 종료 후 초기화된 연료전지 시스템의 안전 종료 제어 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 안전종료모드는 상기 개질기 내 잔류가스 퍼징 후에 대기모드로 진입하는 것을 특징으로 하는 비정상 종료 후 초기화된 연료전지 시스템의 안전 종료 제어 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 일시적인 배터리 전원공급 중단은 전기적 과부하 또는 서지전압에 의해 발생하는 것을 특징으로 하는 비정상 종료 후 초기화된 연료전지 시스템의 안전 종료 제어 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 일시적인 배터리 전원공급 중단은 상기 개질촉매 활성화 온도의 범위에서 발생하는 것을 특징으로 하는 비정상 종료 후 초기화된 연료전지 시스템의 안전 종료 제어 방법.

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