KR101757495B1 - Ｐｅｍ 연료전지 스택 백업 전기 발전기의 동작 관리 - Google Patents

Ｐｅｍ 연료전지 스택 백업 전기 발전기의 동작 관리 Download PDF

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일렉트로 파워 시스템즈 에스.피.에이.
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Abstract

PEM 연료전지 스택 백업 전기 발전기(1)는 전기 부하로 전기에너지를 공급하도록 전기적으로 직렬로 연결된 복수의 적층된 PEM 연료전지(3)에 의해 형성된 연료전지 스택(2); 각 연료전지(3)에 의해 공급되는 전압을 측정하는 전지 전압 모니터(4); 상기 연료전지 스택(2)과 상기 전기 부하 사이에 연결되는 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5); 상기 연료전지(3)에서 발생하는 화학 반응에 필요한 공기를 공급하는 송풍기(6); 상기 연료전지 스택(2)의 유입구와 배출구 사이에서 수소를 재순환하는 수소 재순환기 (7); 1차적으로 수소를 낮은 유속으로 제거하고, 2차적으로 수소를 높은 유속으로 제거하는 수소 제거 장치(8); 및 전기 발전기(1)의 시동시, 정지시 그리고 평시 작동이 이루어지는 동안 다르게 동작하도록 전기 발전기(1)의 동작을 관리하도록 프로그램된 제어기(11)를 포함한다.

Description

ＰＥＭ 연료전지 스택 백업 전기 발전기의 동작 관리{MANAGEMENT OF OPERATION OF A PEM-FUEL-CELL-STACK BACKUP ELECTRIC GENERATOR}
본 발명은 주요 전기 공급원이 없을 때에, 백업(back up)을 제공하는 것을 목적으로 한 연료전지 전기 발전기에 관한 것으로서, 복수의 연료전지는 연료가스 전극(양극 : anode)과 산화가스 전극(음극 : cathode) 각각에 공급되는 연료 가스와 산화가스로부터 시작해 전기에너지를 만들어내기 위해 적층된다. 특히, 본 발명은 양성자 교환 막(Proton Exchange Membrane : PEM) 전지의 가습(humidification)에 특별한 관리가 수행되는, 수소를 연료로 사용하는 PEM 형태의 연료전지 시스템에 관한 것이다.
공지된 바와 같이, 적절한 가습 관리는 PEM 연료전지 기술에 기초한 전기 및 열 에너지 생성 시스템의 관리와 관련하여 가장 취약한 부분 중의 하나이다.
연료전지는 에너지 벡터로서 수소를 이용하는 가장 기술적으로 유망한 해결 방안 중 하나를 대표한다. 연료전지는 전기화학 반응을 이용함으로써, 화학 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 장치이다.
단일의 PEM 전지에서, 두 개의 반-반응(semireaction)이 동시에 일어나는 데, 하나의 반응은 양극에서 일어나며, 다른 하나의 반응은 음극에서 일어난다. PEM 전지의 양극과 음극은, 통상적으로 양성자(proton)를 전도(conduct)할 수 있는 술폰산 폴리머 막에 의해 구성되며, 서로 마주하는 양 측면이 적절한 촉매 혼합물(예를 들어, Pt-기반 혼합물)의 층으로 코팅되는 전해질에 의해 분리된다. 상기 전해질은 일반적으로 이온 수송 유체(예를 들어, 물)로 포화되어 수소 이온이 양극에서 음극까지 가로질러 이동 할 수 있도록 한다.
연료전지에서 일어나는 전체 반응은 열과 전기에너지가 수반되어 아래와 같이 일어나며,
(1) 2H2 + O2 → 2H2O
이는, 양극에서 일어나는 아래와 같은 반-반응과
(2) 2H2 → 4H+ + 4e-
음극에서 일어나는 아래와 같은 반-반응이 합쳐진 결과이다.
(3) O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
즉, 양극에 촉매층 내에서 확산하는 수소가 공급되어, 상기 수소가 수소이온과 전자로 분리되고, 상기 막은 이들에 대해 불침투성을 가지므로, 이들은 상기 음극에까지 외부 전기 회로를 가로 질러 전류 및 그에 상응하는 전위차를 생성한다. 상기 음극에 공급되며 산소를 포함하는 가스 혼합물은, 상기 전해질을 가로질러 이동하는 수소 이온과 상기 외부 전기 회로로부터 흘러 들어온 전자와 함께 반응한다.
물 분자 때문에 폴리머 막을 가로지르는 양성자의 통로가 생기기 때문에, 반응물(reagent) 가스는 가습될 필요가 있다: 지나치게 낮은 습도는 양성자가 양극 칸에서 음극 칸으로 통과하는 것을 매우 어렵게 하며, 그 결과, 연료전지의 성능을 악화시키는 반면, 지나치게 높은 습도는 물 분자를 액체 상태로 응결시키게 되어, 촉매 구간의 폐색을 유발하고 그 결과 연료전지 성능을 악화시킬 수 있다. 반응물 가스의 습도는 이런 이유로 연료전지 시스템을 관리하는 데에 있어 매우 민감한 파라미터이다.
뚜렷한 최대 전압 발생은 위 반응 (1)과 관련되므로, 더 높은 전압을 얻기 위해, 복수의 연료전지가 일반적으로 직렬로 연결되어 스택(stack)을 형성한다.
상기 스택에 더하여, 특히 주요 공급원이 부족한 상태에서 백업을 제공하기 위한 연료전지 전기 발전기는 유압 회로(펌프, 파이프, 분산기(dissipaters) 등), 가스 흐름 공급 및 배기 회로(수소 공급 파이프, 산화가스 혼합물 공급 파이프 등), 제어 시스템(제어 유닛, 온도, 유량 및 압력을 측정하는 계량기, 액추에이터 등)으로 구성된다. 이러한 구성요소들의 집합은 보통 "주변설비(Balance of Plant(BoP))"로서 지칭된다. 무수히 공지된 이러한 시스템의 실시예에서, 상기 주변설비(BoP)는 스택의 유입구에 공기를 가습 시키기 위한 장치로 구성되며, 상기 과정에서 만들어진 물을 회수할 수 있다. 이러한 장치는 일반적으로 일련의 폴리머 막으로 구성되며, 상기 폴리머 막은 물 분자의 삼투 차이를 통해 막의 일부분을 통과하는 유출 가스로부터 막의 다른 측을 통과하는 유입 가스로 물 분자를 전달할 수 있다.
게다가, 일부 실시예에 따르면, 송풍기(blower) 또는 펌프를 사용하여 스택으로부터 유출되는 적어도 일부 유동에 "새로운" 가스를 재순환시키고 혼합하는 것을 예상할 수 있으나, 효율이 떨어지며, 시스템의 소음이 증가하고, 실패의 위험이 증가될 수 있다.
마지막으로, 일반적으로 공기가 음극의 가스로서 사용되므로, 송풍기 또는 펌프는 음극 회로 헤드의 자체 손실을 극복하도록 공기를 스택에 공급할 필요가 있다.
전술한 모든 특징들을 포함하는 시스템이 예를 들어, 미국특허등록 제5543238호에 공지되어 있다. 상기 시스템에서, 재순환은 압축기(compressors)를 통해 배출구의 음극 가스와 양극 가스 모두에 대해 이행된다. 그러나, 적어도 외부 습도 소스(source) 수단으로서 기능하는 음극 가스를 가습하기 위한 시스템을 유지할 필요가 있다.
지금까지의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 백업 전기 발전 시스템의 공지된 실시예는 상대적으로 비용이 높고, 크고 무거우며, 상기 백업 전기 발전 시스템은, 백업 시스템이라는 이유로 간헐적으로만 개입하도록 설계된 것을 고려하면, 예를 들어 가동부(펌프, 압축기 등)가 필요할 때 고장나는 것을 막기 위해 가동부의 정확한 제어가 필요한 것과 같이 신뢰성 하락을 방지하기 위한 정확하고 조심스러운 유지관리가 필요하다.
더욱이, 상기 공지된 시스템은 항상 습도 시스템으로의 사용이 예상되며, 상기 공지된 시스템은 외부에서 공급되는 물 또는 전술한 막 교환기를 통해 일부 회수된 물 중 하나로 작동한다. 사실, 이전에 언급한 바와 같이, 사용자에 의해 이용될 수 있는 에너지 발전 시스템에서 PEM 연료전지의 적절한 동작을 위해서는 막의 적절한 습도를 필요로 한다: 상기 전지 내에 물의 함유량(content)이 낮은 경우 연료전지의 탈수를 일으켜 결과적으로 스택의 동작 기간의 감소를 가져오고, 반면에 물의 함유량이 높은 경우 반응물의 유입을 감소시키고 결과적으로 사용자에게 이용 가능한 전기 전력 생성을 감소시킨다. 상기 막의 습도 정도는 연료 전지가 작동을 시작하고 종료하기 까지 영향을 주며, 특히 백업 장치가 이용되는 에너지 발전 시스템에서 발생하는 것과 같이 시작점이 서로 시간에 맞추어 분리되어 있는 경우 더 그러하다.
기존의 해결 방안은 보통 수화(hydration) 문제를 일으키지 않는 물질로 이루어진 막 전극 어셈블리(MEAs : membrane-electrode assemblies)를 조사하는 것에 집중되어 있다. 그러나, 상기 해결 방안은 사용자가 직면한 문제, 예를 들어, 연료전지의 일시적인 폐쇄 또는 낮은 수화가 발생한 경우 전기 발전기에 직접적으로 개입할 수 있게 해주지는 않는다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 바와 같은 문제점을 극복하고, 특히 공장 및 운영비용을 감소시키고 전기 발전기의 효율성과 신뢰성을 향상시키며, 동시에 전기 발전기의 전체 규모(dimensions)를 줄이고, 적절한 때에 감지된 중요한 상황에서 상기 전기 발전기에 직접적으로 개입할 수 있는 백업 장치로서 특별히 고안된 연료전지 전기 발전기를 제공한다.
본 발명에 따르면, 청구항 1항에 개시된 PEM 연료전지 스택 백업 전기 발전기가 제공된다.
본 발명의 더 나은 이해를 위해, 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 통해 설명되며, 본 발명은 반드시 아래 설명되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 PEM 연료전지 스택 백업 전기 발전기의 블록도를 나타내는 것이며, 본 발명의 이해를 위해 필요한 부분만 도시되었다.
도 2는 단일의 연료전지의 전압과 전류 밀도 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 1을 통해 전체가 도시된 PEM 연료전지 스택 백업 전기 발전기(1)는 기본적으로,
- 전기 부하(미도시)로 전기에너지를 공급하도록 전기적으로 직렬 연결된 복수의 적층된(stacked) PEM 연료전지(3)에 의해 형성되는 연료전지 스택(2);
-각 연료전지(3)에 의해 공급되는 전압을 측정하는 전지 전압 모니터(CVM : cell-voltage monitor)(4);
-연료전지 스택(2)과 전기 부하 사이에 연결되는 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5);
-연료전지(3)에서 발생하는 화학 반응에 필요한 공기를 공급하는 송풍기(6);
-연료전지 스택(2)의 유입구와 배출구 사이에서 수소를 재순환하는 수소 재순환기 (7);
-수소의 일부분을 주변 환경이나 상기 음극 회로로 보내며, 각각 1차적으로 낮은 유속(flow rate)으로 수소를 제거를 하고, 2차적으로 높은 유속으로 수소를 제거하는 한 쌍의 조절형 수소 제거 밸브(9, 10)로 구성되는 수소 제거 장치(8); 및
-전지 전압 모니터(4), 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5), 송풍기(6), 수소 재순환기(7) 및 수소 제거 장치(8)와 연결되며, 후술하는 세부내용에 따라 전기 발전기(1)의 동작을 관리하며, 최적의 막 가습 조건에서 연료전지 스택(2)을 동작시키며, 연료전지 스택(2)의 유용한 동작 기간을 유지시키며, 상기 전기 부하에 의해 요구되는 전기 전력을 항상 공급하는 전자 제어기(11)로 구성된다.
각 연료전지(3)는 기본적으로 막 전극 어셈블리(membrane-electrode assembly : MEA)와 두 개의 쌍극(bipolar) 기판으로 구성되며, 막 전극 어셈블리와 두개의 쌍극 기판은 개스킷(gasket), 헤드부(head portion), 스프링 또는 클로징 타이 로드(closing tie rods)와 같은 부수적인 구성요소를 사용하여 조립된다. 상기 막 전극 어셈블리는 수소 원자를 양성자와 전자로 분열시키도록 작동하며, 약 70℃의 작동 온도와 70℃에서 70.5%의 상대 습도를 가진다. 상기 두 개의 쌍극 기판은 1염기의 유체가 존재할 때 최적의 조건으로 동작하며, 상기 반응물(공기 또는 산소, 수소)을 상기 막 전극 어셈블리로 전송하고 전류의 콜렉터로 작동한다.
단일의 연료전지(3)의 전압은 연료전지(3) 자체에서 요구되는 전기 전력으로 기능을 하며, 도 2에 나타난 그래프에서, 세로축은 60℃에서 측정된 연료전지(3)의 평균 전압을 나타내며, 가로축은 연료전지(3) 자체에서 요구되는 전류 밀도를 나타낸다.
연료전지(3)의 직렬적인 전기적 연결로 인해, 연료전지 스택(2)에 의해 공급되는 전압은 개별적인 연료전지들에 의해 공급되는 전압들의 합과 같으며, 도 2에 도시된 것과 비슷한 그래프를 가진다. 각각의 연료전지에 의해 공급되는 전압의 분배 균일도는 상기 막 전극 어셈블리의 성능과 내구성에 대한 핵심적인 파라미터(key parameter)이다.
각 연료전지(3)에 의해 공급된 전압은 전지 전압 모니터(4)를 통해 측정되며, 전지 전압 모니터(4)는 연료전지 스택(2) 상에 탑재되고, 각각의 연료전지(3)로 연결되도록 설계된 금속 프로드(prods)를 구비한다. 각 연료전지(3)에 의해 공급된 전압은 연료전지(3) 내에서의 유체 역학 현상의 일반적인 시간 상수보다 높은 주파수에서 예를 들어, 매 20ms 마다 측정된다.
연료전지 스택(2)에 의해 생성된 전압의 그래프는 전기 발전기(1)에 의해 생성된 전기에너지가 전기 부하에 직접적으로 사용되도록 최적화된 것이 아니라는 것을 의미한다. 이러한 문제점은 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5)에 의해 극복되는데, 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5)은 부가적으로 연료전지 스택(2)에 의해 공급된 전류(electric current)를 측정하며, 연료전지 스택(2)이 상기 전기 부하에 요구되는 전기 전력을 공급하게 하는 동시에 전압과 전류 면에서 상기 연료전지 스택(2)이 동작 기간 내내 최적의 상태로 동작하게 하는 역할을 한다.
전술한 목적을 위해, 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5)은 전기에너지 변환 정적 요소(static elements)로 구성되며, 상기 전기에너지 변환 정적 요소는 반도체 장치(다이오드, MOSFETs), 부스트(boost) 또는 벅(buck) 형태의 토폴로지(topology)에 따라 연결된 유도성 및 용량성 리액턴스, 즉, 유도성 및 용량성 리액턴스의 전압과 전류를 변화시킴으로써 전기에너지를 변환할 수 있는, 다시 말해, 상기 두 개의 값 중 하나는 독립적으로 변화하며, 나머지 하나는 전기 전력 수요의 결과에 따라 변화하는 유도성 및 용량성 리액턴스와 같은 것이 될 수 있다.
수소 재순환기(7)의 기능과 관련하여, 연료전지 스택(2) 내의 수소는 이상적으로 두 개의 구성요소로 나뉘어질 수 있다: 상기 두 개의 구성요소는, 차후에 전기에너지로 변환하기 위해 저장소에서 꺼내지는 수소와 상기 연료전지 스택(2) 내의 적절한 상대 습도를 유지하기 위해 재순환되는 수소이다. 최대 전기 전력이 사용되는 조건에서, 두 수소의 비율은 실험적으로 최적의 비율로 알려진 약 4:3 비율을 가진다. 재순환되는 수소의 일부분은 연료전지 스택(2)의 배출구로부터 제거되어 수소 재순환기(7)를 통해 연료전지 스택(2)의 유입구로 옮겨지고, 수소 재순환기(7)는 연료전지 스택(2)의 배출구에서 유입구까지 재순환되는 수소의 압력을 증가시키는, 바람직하게는 20 밀리바(mbar)에서 50 밀리바까지 압력을 증가시키는 기능을 더 구비한다.
제어기(11)는 전지 전압 모니터(4)와 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5)에 의해 각각 공급되는 전압과 전류의 측정값을 획득하며; 획득한 측정값과 후술하는 관리 로직(management logics)을 기초로, 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5), 송풍기(6) 및 수소 재순환기(7)를 위한 작동 목표(performance targets)를 결정하고; 정해진 작동 목표를 달성하는 방식으로, 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5), 송풍기(6), 수소 재순환기(7) 및 수소 제거 장치(8)를 제어하도록 프로그램된다.
특히, 제어기(11)는 상기 전기 발전기의 동작 모드(시동(start-up), 평시 동작(normal operation), 정지(shut-down))에 따라 전기 발전기(1)를 다른 관리 로직으로 동작시키도록 프로그램 된다. 상기 모드는 아래에서 구체적으로 설명한다.
1. 시동( start - up )
전기 발전기(1)의 시동은 습도와 가습 문제를 가지는 연료전지(3) 없이 연료전지 스택(2)이 전기 부하에 요구되는 전기 전력을 공급해야 하는 소위 "부하 수용(load acceptance)"으로 인해 특별히 중요한 단계가 된다.
상기 목적을 위해, 제어기(11)는,
-1차 수소 제거 밸브(9)를 개방한 뒤 1차 수소 제거 밸브(9)를 지속적으로 개방하여, 연속적인 수소의 1차 제거를 수행하고,
-2차 수소 제거 밸브(10)를 주기적으로 개방 및 폐쇄하여, 듀티 사이클(duty cycle)에 따라 주기적인 2차 수소제거를 수행하며, 각각 9초 및 4초에 해당하는 2차 수소 제거 밸브(10)의 폐쇄 및 개방 시간의 최초 값에서 시작하여, 개방 시간이 아래 조건 중 하나가 확인될 때까지 바람직하게는 20%의 양만큼 매 듀티 사이클마다 증가하도록 한다:
상기 조건은 다음과 같다:
·연료전지(3)의 전압이 바람직하게는 0.4V로 정해진 최소 허용 전압보다 낮다;
·연료전지(3)의 전압이, 최적의 가습조건에서 스택의 각 유형에 대해 실험적으로 획득되는 일반적인 기준값에 관하여, 바람직하게는 10%와 동일한 정해진 최대 허용 변화량보다 크게 변화한다;
·연료전지 스택(2)의 전압이 일반적인 기준값에 관하여, 바람직하게는 10%와 동일한 최대 허용 변화량보다 크게, 그리고 바람직하게는 60초의 최대 허용 시간보다 긴 시간 동안 변화한다;
·전기 발전기(1)가 가동되고 나서 바람직하게는 2분의 최대 허용 시간보다 긴 시간이 경과한다.
2. 평시 작동( normal operation )
전기 발전기(1)의 평시 작동은 막 전극 어셈블리의 순간 탈수 또는 "범람(flooding)" 때문에 연료전지 스택(2)이 비최적화된 전기 전력 공급 조건에서 동작하여 스택 자체의 동작 기간이 감소되고 사용자에게 비효율적인 서비스를 제공할 수 있어 중요한 단계로 여겨질 수 있다.
결과적으로, 시동 단계가 끝나고 나면, 제어기(11)는 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5)을 제어하도록 프로그램되는데, 제어기(11)는 상기 전기 부하에 요구되는 전기 전력을 기초로 하여, 연료전지 스택(2)으로부터 흘러나온 전류가 바람직하게는 10A/s의 정해진 증가율을 가지며 상승하여, 상기 전기 부하에 요구되는 전기 전력에 상응하는 전류값에 도달하도록 하되, 어느 경우라도 전류가 바람직하게는 180A의 정해진 최대값보다 높지 않게 되도록 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5)을 제어한다.
나아가, 제어기(11)는,
- 아래의 조건 중 하나가 확인되는지 감지하도록 프로그램되고:
·연료전지(3)의 전압이 바람직하게는 0.4V의 정해진 최소 허용 전압보다 낮다;
·연료전지(3)의 전압이 일반적인 기준값에 대하여, 바람직하게는 10%와 동일하게 정해진 최대 허용 변화량보다 크게 변화한다;
·연료전지 스택(2)의 전압이 일반적인 기준값에 대하여, 바람직하게는 10%와 동일한 최대 허용 변화량보다 크게, 그리고 바람직하게는 60초의 최대 허용 시간보다 긴 시간 동안 변화한다.
- 전술한 조건 중의 하나가 확인되면, 연료전지 스택(2)으로부터 흘러나온 전류가 확인된 조건이 중단될 때까지 바람직하게는 10A/s로 정해진 감소비율로 다시 한번 줄어들게 하는 방식으로 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5)을 제어한다. 상기 전기 에너지는 가교 유닛(bridge unit)의 관리를 통해 부분적으로 전기 부하에 공급된다.
나아가, 제어기(11)는 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5)에 의해 공급된 전기 전력의 기능으로 수소 재순환기(7), 송풍기(6) 및 수소 제거 장치(8)를 관리하도록 프로그램 된다. 특히, 전술한 조건 중 하나가 확인되면, 제어기(11)는 송풍기(6)가 공기를 일반적으로 요구되는 값보다 높은, 예를 들어, 4% 이상으로 정해진 유속으로 공급하는 방법으로 송풍기(6)를 작동시키고, 시동 과정에서 설명한 바와 같이 1차와 2차 수소 제거 밸브(9, 10)를 제어하도록 프로그램 된다.
3. 정지( shut - down )
전기 발전기(1)의 정지는, 물이 연료전지(3)의 쌍극 기판에 남아서 반응물이 상응하는 막 전극 어셈블리로 전달되는 것을 막아서 연료전지(3)가 전기 발전기의 다음 시동을 위해 필요한 낮은 수화 조건에 놓이는 것을 막을 수 있기 때문에 중요한 단계로 여기질 수 있다.
이러한 문제를 방지하기 위해, 제어기(11)는,
- 연료전지 스택(2)을 바람직하게는 20℃로 설정된 온도까지 냉각하며, 강제적인 냉각 시스템의 도움으로 축적된 열을 방출하는 것을 가속화하고,
- 냉각이 종료되면, 냉각 과정 동안 응결된 물을 제거하기 위해 송풍기(6)를 작동시키며,
- 1차 수소 제거 밸브(9)를 개방한 뒤, 1차 수소 제거 밸브(9)를 지속적으로 열어두어 연속적인 수소의 1차 제거를 이행하도록 프로그램 된다.
본 발명에 따르는 PEM 연료전지 스택 백업 전기 발전기(1)의 특성 실험으로부터, 본 발명이 동일한 형태의 공지된 전기 발전기보다 더 나은 이점을 제공한다는 것은 명백하다. 특히, 본 발명은 동일한 형태의 공지된 전기 발전기와 비교하여, 더 높은 효율성과 신뢰성을 제공할 뿐만 아니라, 중요한 상황이 적절하게 감지되는 경우에 작동기(operator)가 직접적인 개입을 하도록 할 수 있다.
마지막으로, 도시되고 설명된 상기 PEM 연료전지 스택 백업 전기 발전기는 첨부된 청구항으로 정의된 바와 같은 본 발명의 보호범위를 넘지 않는 범위 내에서 변경 및 수정될 수 있다.
특히, 상기 최소 허용 전압, 상기 최대 허용 변화량, 상기 최대 허용 시간, 상기 흘러나간 전류의 증감비율 및 구현가능한 최대 전류는 본 명세서에서 나타난 값과 다른 값이 사용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 전기 부하로 전기에너지를 공급하도록 전기적으로 직렬로 연결된 복수의 적층된 PEM 연료전지(3)에 의해 형성된 연료전지 스택(2);
    각 연료전지(3)에 의해 공급되는 전압을 측정하는 전지 전압 모니터(4);
    상기 연료전지 스택(2)과 상기 전기 부하 사이에 연결되는 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5);
    상기 연료전지(3)에서 발생하는 화학 반응에 필요한 공기를 공급하는 송풍기(6);
    상기 연료전지 스택(2)의 유입구와 배출구 사이에서 수소를 재순환하는 수소 재순환기 (7);
    제1 유속에서 수소를 1차 제거하고, 제2 유속에서 수소를 2차 제거하는 수소 제거 장치(8) - 상기 제1 유속은 제2 유속보다 낮음; 및
    상기 전지 전압 모니터(4), 상기 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5), 상기 송풍기(6), 상기 수소 재순환기(7) 및 상기 수소 제거 장치(8)와 연결되며, 전기 발전기(1)가 시동시, 정지시 및 평시 작동이 이루어지는 동안 다르게 동작하도록 전기 발전기(1)의 동작을 관리하는 제어기(11)를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 전기 발전기의 시동을 관리하기 위해,
    연속적인 수소의 1차 제거를 수행하는 방식으로 상기 수소 제거 장치(8)를 제어하고;
    듀티 사이클에 따라 주기적인 수소의 2차 제거를 수행하는 방식으로 상기 수소 제거 장치(8)를 제어하는데, 그 제거 시간이 정해진 최초 값에서 시작하여 하기 조건 중 하나가 확인될 때까지 매 듀티 사이클마다 정해진 양으로 증가하도록 구성되며,
    상기 조건은,
    ·상기 연료전지(3)의 전압이 정해진 최소 허용 전압보다 낮다;
    ·상기 연료전지(3)의 전압이, 기준값에 대하여, 정해진 최대 허용 변화량보다 크게 변화한다;
    ·상기 연료전지 스택(2)의 전압이, 기준값에 대하여, 정해진 최대 허용 시간보다 긴 시간 동안 정해진 최대 허용 변화량보다 크게 변화한다;
    ·전기 발전기(1)가 가동되고 나서 최대 허용 시간보다 긴 시간이 경과한다;
    인 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지 스택 백업 전기 발전기(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(11)는,
    상기 전지 전압 모니터(4)와 상기 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5)에 의해 공급된 전압과 전류 측정값을 획득하며,
    획득한 측정값과 관리 로직(logic)을 기초로 하여, 상기 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5), 상기 송풍기(6) 및 상기 수소 재순환기(7)를 위한 작동 목표를 정하고,
    정해진 작동 목표를 달성하도록 상기 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5), 상기 송풍기(6), 상기 수소 재순환기(7) 및 상기 수소 제거 장치(8)를 제어하도록 구성되는, PEM 연료전지 스택 백업 전기 발전기(1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기(11)는 상기 전기 발전기(1)의 정지를 관리하기 위하여,
    설정 온도에 도달될 때까지 상기 연료전지 스택(2)의 냉각을 기다리며,
    냉각이 종료되면, 냉각이 이루어지는 동안 응결된 물을 제거하도록 상기 송풍기(6)를 작동시키며,
    연속적인 수소의 1차 제거가 수행되도록 상기 수소 제거 장치(8)를 제어하도록 구성되는, PEM 연료전지 스택 백업 전기 발전기(1).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어기(11)는 상기 전기 발전기(1)의 평시 동작을 관리하기 위하여,
    상기 전기 부하에 요구되는 전기 전력에 기초하여, 상기 연료전지 스택(2)으로부터 흘러나온 전류가 상기 전기 부하에 요구되는 전기 전력에 상응하는 전류 값에 도달할 때까지 정해진 증가율로 증가하되 정해진 최대 전류보다 높아지지 않도록 상기 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5)을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지 스택 백업 전기 발전기(1).
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기(11)는 상기 전기 발전기의 평시 작동을 관리하기 위하여,
    하기 조건 중 하나가 확인되는지 감지하고,
    상기 조건은,
    ·상기 연료전지(3)의 전압이 정해진 최소 허용 전압보다 작다;
    ·상기 연료전지(3)의 전압이, 기준값에 대하여, 정해진 최대 허용 변화량보다 크게 변화한다;
    ·상기 연료전지 스택(2)의 전압이, 기준값에 대하여, 최대 허용 시간보다 긴 시간 동안 최대 허용 변화량보다 크게 변화한다는 것이며,
    상기 조건 중 하나가 확인되면, 상기 연료전지 스택(2)으로부터 흘러나온 상기 전류가 확인된 조건이 중단될 때까지 정해진 감소비율로 감소하도록 상기 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5)을 제어하도록 구성되는, PEM 연료전지 스택 백업 전기 발전기(1).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기(11)는 상기 전기 발전기(1)의 평시 작동을 관리하기 위하여,
    상기 전기에너지 관리 및 조절 유닛(5)에 의해 공급되는 상기 전기 전력 기능으로 상기 수소 재순환기(7)를 제어하며,
    상기 조건 중 하나가 확인되면,
    상기 송풍기(6)가 정해진 유속의 공기를 보통으로 요구되는 유속 이상으로 공급하도록 상기 송풍기(6)를 제어하고,
    수소의 1차 제거와 수소의 2차 제거를 수행하는 방식으로 상기 수소 제거 장치(8)를 제어하도록 구성되는, PEM 연료전지 스택 백업 전기 발전기(1).
  7. 제 1 항 또는 제 2 항의 PEM 연료전지 스택 백업 전기 발전기(1)를 위한 제어기(11).
  8. PEM 연료전지 스택 백업 전기 발전기(1)의 제어기(11)에 로드(load)되며, 실행될 때, 제어기(11)로 하여금 청구항 제1항 또는 제2항에 따라 동작하게 하는 소프트웨어가 저장된 컴퓨터 판독형 저장 매체.
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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013149337A1 (en) 2012-04-02 2013-10-10 Hydrogenics Corporation Fuel cell start up method
US9368814B2 (en) * 2012-05-04 2016-06-14 Hydrogenics Corporation System and method for controlling fuel cell module
US10084196B2 (en) 2012-05-04 2018-09-25 Hydrogenics Corporation System and method for controlling fuel cell module
CA2925798C (en) 2013-10-02 2022-10-18 Hydrogenics Corporation System and method for starting up a fuel cell
US11309556B2 (en) 2013-10-02 2022-04-19 Hydrogenics Corporation Fast starting fuel cell
KR101619586B1 (ko) * 2014-04-23 2016-05-11 현대자동차주식회사 연료전지 정비용 잔존수소 제거 장치
CN107492672B (zh) * 2016-06-13 2020-01-17 成都天高机电设备有限公司 一种氢能汽车上专用的氢能压力发电设备
CN106532080B (zh) * 2016-12-15 2023-06-30 新源动力股份有限公司 一种具备寿命管理单元的燃料电池用连接模块及燃料电池
JP6861548B2 (ja) * 2017-03-23 2021-04-21 大阪瓦斯株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法
JP6881225B2 (ja) * 2017-10-20 2021-06-02 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
CN109256573B (zh) * 2018-10-24 2023-05-26 天津中德应用技术大学 用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节方法及装置
CN109768306A (zh) * 2018-12-24 2019-05-17 武汉理工大学 一种燃料电池电堆可逆电压降快速在线恢复的方法
CN110224161A (zh) * 2019-06-06 2019-09-10 珠海格力电器股份有限公司 燃料电池系统
AT522484B1 (de) * 2019-07-02 2020-11-15 Avl List Gmbh SOEC-System und Verfahren zum Betreiben eines SOEC-Systems
CN111063920B (zh) * 2019-12-30 2020-12-01 新源动力股份有限公司 一种燃料电池电堆流体分配一致性检测方法
CN112366808A (zh) * 2020-11-10 2021-02-12 宝武清洁能源有限公司 一种用于互联网数据中心的备用供电系统
CN114464845B (zh) * 2022-01-21 2024-05-10 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 一种燃料电池系统开机吹扫方法
CN114914494B (zh) * 2022-06-27 2023-11-10 北京亿华通科技股份有限公司 一种用于燃料电池电堆的耐久性控制方法及装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6737183B1 (en) 1999-05-17 2004-05-18 Nuvera Fuel Cells Europe S.R.L. Humidification device for polymeric membrane fuel cells
US6861167B2 (en) 2001-07-25 2005-03-01 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell resuscitation method and apparatus
US20080091629A1 (en) 2004-11-26 2008-04-17 Nissan Motor Co., Ltd. Controller For Fuel Cell System
US20110048837A1 (en) 2009-08-31 2011-03-03 Hyundai Motor Company Hydrogen exhaust system for fuel cell vehicle

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1994003937A1 (de) 1992-08-10 1994-02-17 Siemens Aktiengesellschaft Brennstoffzelle und verfahren zur befeuchtung des elektrolyten
RU2188480C2 (ru) * 2000-05-29 2002-08-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" Устройство для эксплуатации электрохимического генератора с дожигателем и способ эксплуатации электрохимического генератора с дожигателем
WO2004027912A2 (en) * 2002-09-23 2004-04-01 Hydrogenics Corporation A fuel cell system and method of operating the same
JP3915681B2 (ja) * 2002-12-03 2007-05-16 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2006073427A (ja) * 2004-09-03 2006-03-16 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US7282287B2 (en) * 2004-11-24 2007-10-16 Utc Power Corporation Purging water with reactant air pump powered by operational fuel cell system during shutdown

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6737183B1 (en) 1999-05-17 2004-05-18 Nuvera Fuel Cells Europe S.R.L. Humidification device for polymeric membrane fuel cells
US6861167B2 (en) 2001-07-25 2005-03-01 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell resuscitation method and apparatus
US20080091629A1 (en) 2004-11-26 2008-04-17 Nissan Motor Co., Ltd. Controller For Fuel Cell System
US20110048837A1 (en) 2009-08-31 2011-03-03 Hyundai Motor Company Hydrogen exhaust system for fuel cell vehicle

Also Published As

Publication number Publication date
CN102668211A (zh) 2012-09-12
RU2012131156A (ru) 2014-01-27
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CA2784867C (en) 2017-11-28
EP2517293B1 (en) 2014-05-14
US20120258376A1 (en) 2012-10-11
JP2013515342A (ja) 2013-05-02
ITTO20091026A1 (it) 2011-06-23
MX2012007317A (es) 2012-07-20
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US9419292B2 (en) 2016-08-16
CN102668211B (zh) 2016-01-20
CA2784867A1 (en) 2011-06-30
RU2598361C2 (ru) 2016-09-20
ZA201205417B (en) 2013-05-29
EP2517293A1 (en) 2012-10-31

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