KR101913809B1 - 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 연료 전지 시스템은 제1 유입구를 통해 유입되는 연료를 원하는 상태의 가스로 개질하여 개질 가스를 배출하는 개질기, 개질기의 배출구와 제2 유입구 사이에 위치하는 제1 밸브, 개질기의 배출구에 연결되어 있는 제2 밸브, 제2 밸브에 연결되어 제2 밸브를 통해 유입되는 개질 가스를 이용하여 전기를 생산하는 연료 전지 스택, 개질기의 배출구에 연결되어 있는 제3 밸브, 제3 밸브와 연결되어 있는 저장 용기, 저장 용기와 연료 전기 스택의 유입구 사이에 위치하는 제4 밸브, 연료 전지 스택의 배출구와 개질기의 제2 유입구 사이에 위치하는 제5 밸브, 그리고 제1 밸브 내지 제5 밸브의 개폐 상태를 제어하는 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은 개질기에서 개질 반응이 시작되면 제1 밸브를 개방하여 불완전 조성 개질 가스를 개질기 쪽으로 배출하고, 개질기에서 완전 조성 개질 가스가 생성되면 제2 밸브와 상기 제5 밸브를 개방하여 연료 전지 스택으로 완전 조성 개질 가스를 유입시켜 연료 전지 스택을 동작시키고, 제3 밸브를 개방하여 저장 용기로 완전 조성 개질 가스를 저장하고, 모드 선택 신호의 상태가 즉시 운전 모드이면, 제4 밸브를 개방하여 저장 용기에 저장된 완전 조성 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 한다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 구동 방법{FUEL CELL SYSTEM AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료 전지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료전지 장치는 전기화학반응을 이용하여 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전장치로서, 복수의 연료전지를 구비한 연료전지 스택(Stack), 연료변환장치, 주변보조기기(Balance of Plant, BPP) 및 제어 장치 등을 포함한다.
즉, 연료전지 장치에 구비된 연료전지는 수소와 산소가 발생하는 물 전기분해원리와는 반대로 연료가스인 수소와 공기 중의 산소를 각각 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 전기화학적 발전장치이다.
이러한 연료전지의 동작에 의해, 연료전지에서는 전기와 열이 동시에 발생한다. 연료전지의 기본 구성은 연료극-전해질층-공기극으로 접합되어 있는 셀(cell)이며, 복수의 셀을 적층한 연료전지 스택을 구성함으로써 원하는 전압과 전류를 얻을 수 있다.
일반적으로 연료전지의 기본 셀에서 전기를 발생시키기 위한 연료인 수소가스를 연료극 쪽으로 공급하면, 수소는 연료극의 촉매층에서 수소이온(H+)과 전자(e-)로 산화되며, 공기극에서는 공급된 산소와 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부 도선을 통해 이동한 전자가 결합하여 물을 생성시키는 산소 환원 반응이 일어난다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를 발생시킨다.
이러한 작동원리를 토대로 연료전지 장치를 구비한 연료전지 시스템은 연료개질장치, 연료전지 장치, 전력변환 장치 및 열 회수시스템으로 구성되었다.
연료개질장치는 수소를 함유한 탄화수소계 연료를 연료전지 스택에서 안정적으로 원하는 크기의 전기를 발생시킬 수 있는 정도로 수소가 농후한 가스(예를 들어, 수소의 조성비가 75% 이상인 가스)로 개질하여 연료전지에 적합하도록 만들고, 연료전지 장치는 수소와 산소 반응을 통해 직류(DC) 전기, 물 및 열을 발생시킨다.
전력변환 장치는 직류(DC)를 교류(AC)로 변화하며, 열회수시스템은 본체에서 나오는 폐열을 회수하여 연료개질장치를 예열하거나 열병합발전 시스템에 열을 공급한다.
현재는 연료 전지 시스템을 구성하고 있는 구성 요소(예를 들어, 주변 보조기기(BOP) 및 각종 부품 등) 각각에 대한 이상 유무의 확인이 어려워 연료 전지 시스템의 내구성 저하 및 유지 보수 비용의 증가가 예상된다.
또한, 종래의 연료 전지 시스템의 연료개질장치의 내부 상태가 탄화수소계 연료를 원하는 농도의 수소가 포함된 상태의 가스, 즉 개질 가스로 개질하기 위한 조건에 도달할 때까지의 시간인 웜-업 시간(warm-up time)이 필요하게 된다.
따라서, 연료 전지 시스템을 이용할 경우, 연료 전지 시스템을 구동시킨 후 바로 원하는 전기 에너지를 획득할 수 없는 불편함이 존재한다.
대한민국 특허출원번호 10-2009-0133277(출원일자: 2009년 12월 29일)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 웜-업 시간 없이도 연료 전지 시스템을 통해 전기 에너지를 획득할 수 있도록 하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법은 개질기에서 유입되는 연료에 대한 개질 반응이 시작되면, 제1 밸브를 개방하여 상기 개질기에 의해 생성된 불완전 조성 개질 가스를 배출하는 단계, 상기 개질기에서 상기 불완전 조성 개질 가스의 배출 이후 완전 조성 개질 가스가 배출되면, 상기 제1 밸브를 닫고 제2 밸브를 개방하여 상기 개질기에 의해 생성된 상기 완전 조성 개질 가스를 연료 전지 스택으로 전달하는 단계, 그리고 제3 밸브를 개방하여 상기 개질기에 의해 생성된 상기 완전 조성 개질 가스를 저장 용기에 저장하는 단계를 포함한다.
상기 유입되는 상기 연료의 양은 상기 저장 용기에 저장되는 상기 완전 조성 개질 가스의 압축 압력과 상기 저장 용기의 용량에 따라 결정될 수 있다.
상기 특징에 따른 연료 전지 시스템의 구동방법은 압력계에서 인가되는 신호를 이용하여 상기 저장 용기 내의 압력을 판정하는 단계, 판정된 상기 압력과 설정 압력을 비교하는 단계, 판정된 상기 압력이 상기 설정 압력에 도달하면 상기 제3 밸브를 닫는 단계, 그리고 연료 승압기의 동작을 제어하여 상기 개질기로 유입되는 연료의 양을 감소시키는 단계를 더 포함하는 것이 좋다.
상기 특징에 따른 연료 전지 시스템의 구동방법은 운전 모드가 즉시 운전 모드이면, 제4 밸브를 개방하여 상기 저장 용기에 저장된 완전 조성 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 하는 단계를 더 포함하는 것이 좋다.
상기 특징에 따른 연료 전지 시스템의 구동방법은 운전 모드가 고속 운전 모드이면, 상기 제2 밸브와 제4 밸브를 개방하여 개질기로부터 공급되는 개질 가스와 상기 저장 용기로부터 공급되는 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 연료 전지 시스템은 제1 유입구를 통해 유입되는 연료를 원하는 상태의 가스로 개질하여 개질 가스를 배출하는 개질기, 상기 개질기의 배출구와 제2 유입구 사이에 위치하는 제1 밸브, 상기 개질기의 배출구에 연결되어 있는 제2 밸브, 상기 제2 밸브에 연결되어 있고, 상기 제2 밸브를 통해 유입되는 개질 가스를 이용하여 전기를 생산하는 연료 전지 스택, 상기 개질기의 배출구에 연결되어 있는 제3 밸브, 상기 제3 밸브와 연결되어 있는 저장 용기, 상기 저장 용기와 상기 연료 전기 스택의 유입구 사이에 위치하는 제4 밸브, 상기 연료 전지 스택의 배출구와 상기 개질기의 제2 유입구 사이에 위치하는 제5 밸브, 그리고 상기 제1 내지 제5 밸브에 연결되어 상기 제1 밸브 내지 제5 밸브의 개폐 상태를 제어하는 제어 유닛을 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 개질기에서 개질 반응이 시작되면 제1 밸브를 개방하여 불완전 조성 개질 가스를 상기 개질기 쪽으로 배출하고, 상기 개질기에서 완전 조성 개질 가스가 생성되면 제2 밸브와 상기 제5 밸브를 개방하여 상기 연료 전지 스택으로 완전 조성 개질 가스를 유입시켜 상기 연료 전지 스택을 동작시키고, 상기 제3 밸브를 개방하여 상기 저장 용기로 완전 조성 개질 가스를 저장하고, 모드 선택 신호의 상태가 즉시 운전 모드이면, 상기 제4 밸브를 개방하여 상기 저장 용기에 저장된 완전 조성 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 한다.
상기 특징에 따른 연료 전지 시스템은 상기 제어 유닛과 연결되어 있고 상기 개질기 내부의 온도를 감지하는 온도 감지부를 더 포함할 수 있고, 상기 제어 유닛은 상기 온도 감지부에서 출력되는 감지 신호를 이용하여 상기 개질기의 내부 온도를 판정하고, 판정된 내부 온도가 제1 설정 온도에 도달하면 상기 제1 밸브를 개방하고, 판정된 내부 온도가 제2 설정 온도 이상이면 상기 제1 밸브를 닫고 제2 밸브를 개방할 수 있다.
상기 특징에 따른 연료 전지 시스템은 상기 제어 유닛과 연결되어 있고 상기 저장 용기의 내부 압력을 감지하는 압력계를 더 포함할 수 있고, 상기 제어 유닛은 상기 압력계에서 인가되는 신호를 이용하여 상기 저장 용기의 내부 압력을 판정하고 판정된 내부 압력이 설정 압력 미만이면 상기 제3 밸브를 개방할 수 있다.
상기 특징에 따른 연료 전지 시스템은 상기 제어 유닛에 연결되어 있고 상기 개질기 쪽으로 유입되는 연료의 양을 측정하는 제1 유량계, 그리고 상기 제어 유닛에 연결되어 있고, 상기 제1 유량계를 통과하여 상기 개질기 쪽으로 유입되는 연료의 압력을 조정하는 연료 승압기를 더 포함할 수 있고, 상기 제어 유닛은 판정된 내부 압력이 설정 압력 미만이면 상기 제1 유량계에 의해 판정된 연료의 양이 설정량에 도달하지 않는 경우, 상기 연료 승압기를 제어하여 상기 개질기로 유입되는 연료의 양을 증가시키고, 상기 설정량은 상기 저장 용기에 저장되는 상기 완전 조성 개질 가스의 압축 압력과 상기 저장 용기의 용량에 따라 결정될 수 있다.
상기 제어 장치는 모드 선택 신호의 상태가 고속 운전 모드이면, 상기 제2 밸브와 상기 제4 밸브를 개방하여 개질기로부터 공급되는 개질 가스와 상기 저장 용기로부터 공급되는 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입될 수 있도록 한다.
이러한 특징에 따르면 개질 가스를 사용하는 연료 전지 시스템에서, 저장 용기에 저장된 개질 가스를 이용하여 발전 이루어지므로, 원하는 상태의 개질 가스 조성에 필요한 웜-업 시간이 불필요하므로, 사용자의 편리성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법에 대한 동작 순서도로서, 연료 전지 시스템의 운전 모드가 일반 운전 모드일 때의 동작 순서도이다.
도 3은 도 2의 개질 가스 저장 제어 루틴에 대한 동작 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법에 대한 동작 순서도로서, 연료 전지 시스템의 운전 모드가 즉시 운전 전 모드일 때의 동작 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개질기의 웜-업 시간에 따른 개질 가스의 공급 방법을 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 개질 가스의 저장 용기에 대한 한 예로서, 저장 용기가 복수의 공간으로 분할된 경우를 도시한 개념도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조 부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서, 개질 가스 조성에 필요한 웜-업 시간시간 없이 발전하여 운전이 이루어지도록 하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지 시스템의 구동(또는 운전) 이후 연료의 개질 동작으로 인해 생성되는 개질 가스와 미리 저장되어 있는 개질 가스 간의 의 교체 동작 및 생성되는 개질 가스의 일부를 저장하는 동작에 의해, 웜-업 시간과 준비 시간없이 연료 전지 시스템이 즉시 발전하여 운전(또는 구동)이 가능하도록 하는 것이다.
개질 가스를 기반으로 구동되는 연료 전지 시스템은 연료(LNG, LPG, 디젤, 또는 휘발유 등)의 개질을 위해 촉매의 반응 활성화 온도까지 웜-업(warm-up) 시켜야 하므로, 일반적으로 웜-업 시간 동안(예, 1시간 내지 3시간)에는 발전이 되지 않는다.
하지만, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 운전 중 연료 전지 스택에서 사용하고 남은 개질 가스나 별도의 개질 가스를 연료 전지 시스템 내부의 별도 저장 공간에 저장하므로, 다음 운전 시 웜-업 기간에도 저장된 개질 가스를 이용하여 즉시 발전이 이루어지도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 예에 따른 연료 전지 시스템은 유량계A(예, 제1 유량계)(100), 유량계A(100)에 연결된 연료 승압기(105), 연료 승압기(105)에 제1 유입구가 연결된 개질기(110), 개질기(110)의 배출구에 연결되는 연료 전지 스택(160), 개질기(110)의 제2 유입구와 배출구 사이에 위치한 밸브(valve)A(예, 제1 밸브)(115), 개질기(110)의 배출구와 연료전지 스택(160) 사이에 위치하여 개질기(110)와 연료 전지 스택(160)을 연결시키는 밸브B(예, 제2 밸브)(120), 개질기(110)의 배출구에 일측이 연결되어 있는 밸브C(예, 제3 밸브)(125), 밸브C(125)의 타측에 연결되어 밸브C(125)를 통해 개질기(110)의 배출구와 연결되는 유량계B(예, 제2 유량계)(135), 유량계B(135)의 출력 측과 연결되어 있는 압축기(140), 압축기(140)의 출력 측과 연결되어 있는 저장 용기(145), 저장 용기(145)에 설치되어 있는 압력계(150), 저장 용기(145)에 설치되어 있는 압력 조정기(133), 압력 조정기(133)와 밸브B(120)의 타측[즉, 연료 전지 스택(160)의 유입구]과 연결되게 위치하는 밸브D(예, 제4 밸브)(130), 연료 전지 스택(160)의 배출구와 개질기(110)의 제2 유입구 사이에 위치하는 밸브E(예, 제5 밸브), 저장 용기(145)의 출력 측에 위치하는 릴리프 밸브(relief valve)(155), 연료 전지 스택(160)로 공기를 주입하기 위한 에어 플로워(air blower)(173)를 구비한다.
또한, 본 예의 연료 전지 시스템은 연료전지 스택(160)에 연결되어 있는 전원 공급 장치(170), 전원 공급 장치(170)에 연결되어 있는 배터리(175), 전원 공급 장치(170)에 연결되어 제어 장치 및 BOP(180), 연료전지 스택(160)과 전원 공급 장치(170)에 연결되어 있는 전력 변환 장치(183), 연료전지 스택(160)에 각각 연결되어 있는 비상 부하(186)와 일반 부하(189), 비상 부하(186)에 연결되어 있는 스위치A(예, 제1 스위치)(193), 인버터(183)와 스위치A(186)에 연결되어 있는 스위치B(예, 제2 스위치)(196), 스위치A(193)와 스위치B(196)에 연결되어 있는 스위치C(199), 일반 부하(189), 스위치C(199) 및 전원 공급 장치(170)에 연결되어 있는 상용 계통(163)을 구비한다.
유량계A(100)는 유입구로 입력되는 연료의 양을 체크하기 위한 것으로서, 체크된 연료의 양에 해당하는 상태의 신호를 출력한다.
이러한 유량계A(100)는 제어 장치(180)와 연결되어, 체크한 연료의 양에 해당하는 상태의 신호를 제어 장치(180)로 출력하여 제어 장치(180)가 유입되는 연료의 양을 판정할 수 있도록 한다.
이때, 유량계A(100)로 유입되는 연료는 유량계A(100)와 연료 승압기(105)를 통해 개질기(110)로 유입되는 것으로서, LNG, LPG, 휘발유(gasoline) 또는 경유(diesel) 등과 같은 화석 연료일 수 있다.
연료 승압기(105)는 유량계 A(100)와 개질기(110) 사이에 위치하여 유량계A(100)로부터 유입되는 연료의 압력을 원하는 압력으로 조정하여 개질기(110) 내로 유입되는 연료의 양을 조정하기 위한 것이다.
이러한 연료 승압기(105)는 제어 장치(180)와 연결되어, 제어 장치(180)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 동작이 제어된다. 이때, 제어 장치(180)는 유량계A(100)에 의해 감지된 연료의 양을 이용하여 연료 승압기(105)의 동작을 제어한다.
개질기(110)는 연료개질장치로서, 연료 승압기(105)를 통과해 입력되는 연료를 다른 성질의 성분으로 변환시키기 위한 것이다.
예를 들어, 개질기(110)는 수소를 함유한 연료[LPG(liquefied petroleum gas), LNG(liquid natural gas), 메탄, 석탄가스 또는 메탄올 등]를 연료 전지의 동작에 필요한 정도로 수소를 많이 함유하는 가스(예, 수소의 조성비가 75% 이상)로 변환한 해당 상태의 개질 가스(이하, 이 개질 가스를 '완전 조성 개질 가스'라 함)를 생성하기 위해 것이다.
이러한 개질기(110)는 탄화수소와 수증기의 반응을 기반으로 수소가 풍부한 합성 가스인 개질 가스를 생산하기 위한 수소 생산 핵심 공정을 수행할 수 있다.
밸브A(115), 밸브B(120), 밸브C(125), 밸브D(130) 및 밸브E(165)는 제어 장치(180)와 연결되어 제어 장치(180)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 개폐 상태가 제어되는 전자 밸브로서, 개질기(110)로부터 출력되는 개질 가스를 해당하는 구성 요소로 전달하기 위한 것이다.
이를 위해, 밸브A(115)는, 이미 설명한 것처럼, 개질기(110)의 배출구와 제2 유입구 사이에 위치하여 개질 상태가 불완전하여 정상적인 연료 전지의 동작이 이루어지지 않는 상태(즉, 수소 함유량이 설정량 미만인 상태)의 개질 가스(이하, 이 개질 가스를 '불완전 조성 개질 가스'라 함)를 개질기(110)로 다시 유입시키는 역할을 수행한다.
밸브B(120)는 개질기(110)의 배출구에서 배출되어 완전 조성 개질 가스를 연료 전지 스택(160)으로 전달하기 위한 것이다.
밸브C(125)는 개질기(110)의 배출구에서 배출된 개질 가스를 유량계B(135)와 압축기(140)를 거쳐 저장 용기(145)로 유입시키기 위한 것이다.
따라서, 본 예의 경우, 밸브C(125)는 개질기(110)와 유량계B(135) 사이에 위치한다.
밸브D(130)는 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스를 연료 전지 스택(160)으로 전달하기 위한 것으로, 이미 설명한 것처럼, 압력 조정기(133)와 연료 전지 스택(160) 사이에 위치한다.
밸브E(165)는 연료 전지 스택(160) 내의 압력을 조정하고 연료 전지 스택(160)에서 사용하고 남은 잉여 개질 가스를 재이용하기 위해, 연료 전지 스택(160)에서 배출된 개질 가스를 개질기(110)로 주입하기 위한 것이다.
이러한 밸브E(165)는 연료 전지 스택(160)과 개질기(110)의 제2 유입구 사이에 구현될 수 있다.
도 1에 도시되지 않았지만, 본 예에 따른 연료 전지 시스템은 개질기(110)의 동작 상태를 판정하여 개질기(110)의 내부 상태가 정상 상태, 즉 원하는 상태의 개질 가스의 생산이 이루어지는 상태 인지의 여부를 판정하기 위해, 제어 장치(180)에 연결되어 있고, 개질기(110) 내부의 온도를 감지하여 해당 상태의 감지 신호를 제어 장치(180)로 출력하는 온도 감지부를 더 구비한다.
이로 인해, 제어 장치(180)는 온도 감지부에서 인가되는 신호를 이용해 개질기(110) 내부의 온도를 판정하고 판정 온도가 설정 온도에 도달했는지의 여부에 따라 밸브A 내지 밸브C(115, 120, 125) 및 밸브E(165)의 동작 상태를 제어한다.
하지만, 이와는 달리, 대안적인 예에서, 제어 장치(180)는 개질기(110)의 주변 온도에 따라서 정해진 각 밸브(115, 120, 125, 165)의 개방 시간에 따라 밸브(115, 120, 125, 165)의 개폐 상태를 제어할 수 있다.
유량계B(135)는 압축기(140)를 통해 저장 용기(145)로 전달되는 개질 가스의 양을 체크하기 위한 것으로, 제어 장치(180)와 연결된 체크된 개질 가스의 양에 해당하는 상태의 신호를 제어 장치(180)로 출력한다.
압축기(140)는 유량계B(135)를 거쳐 저장 용기(145)로 유입되는 개질 가스를 해당 크기로 압축하기 위한 것으로, 저장 용기(145)로 유입되는 재질 가스의 양을 제어한다.
이러한 압축기(140)는 제어 장치(180)와 연결되어 제어 장치(180)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 동작하여 개질 가스의 압축 정도를 조정한다. 이때, 제어 장치(180)는 유량계B(135)과 유량계A(100)에 의해 감지된 개질 가스의 양을 이용하여 압축기(140)의 동작을 제어한다
저장 용기(145)는 압축기(140)에 의해 압축되어 유입되는 개질 가스를 저장한다.
압력계(150)는 저장 용기(145)의 압력을 체크하기 위한 것으로, 제어 장치(180)와 연결되어 있다. 따라서, 압력계(150)는 체크된 압력의 크기에 해당하는 상태의 신호를 제어 장치(180)로 출력한다.
또한, 릴리프 밸브(155)는 저장 용기(145) 내의 압력 상태를 설정 상태로 유지하기 위한 것으로서, 필요에 따라 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스를 외부로 배출하기 위한 밸브다.
이러한 릴리프 밸브(155)는 제어 장치(180)와 연결되어 제어 장치(180)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 개폐 상태가 제어된다.
이를 위해, 제어 장치(180)는 압력계(150)로부터 인가되는 신호에 의해 판정된 저장 용기(145) 내의 압력과 설정 압력을 비교하여 판정된 압력이 설정 압력 이상이면 릴리프 밸브(155)의 상태를 개방 상태로 제어할 수 있다.
압력 조정기(133)는 저장 용기(145)에서 연료 전지 스택(160)으로 유입되는 개질 가스의 압력이 설정 압력으로 유지되도록 하기 위한 것으로서, 압력 조정기(133)는 이미 정해진 크기의 압력으로 저장 용기(145)에서 배출되는 개질 가스의 압력을 제어한다.
연료 전지 스택(160)은 전기 화학 반응이 일어나는 연료 전지의 단위 전지(single cell)이 수십 개 내지 수백 개가 적층된 구조를 갖고 있다.
이러한 연료 전지 스택(160)의 단위 전지는 연료극, 공기극, 고분자 전해질 막, 전해질 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA) 및 바이폴라판으로 구성될 수 있다.
단위 전지가 적층된 연료 전지 스택은 구성 요소 간의 접촉 저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝의 조임판을 조임쇠나 공기압으로 압착할 수 있다. 양쪽 끝의 조임판에는 반응 기체의 출구와 입구, 냉각수 순환구 및 전기출력용 소켓이 설치될 수 있다.
에어 블로워(173)는 연료 전지의 발전 동작을 위해 필요한 산소를 공급하기 위한 것으로서, 제어 장치(180)에 연결되어 제어 장치(180)의 제어에 따라 동작 상태가 제어된다.
전원 공급 장치(170)는 연료 전지 시스템의 각 구성 요소로 동작에 필요한 의 전원을 공급하기 위한 것으로서, 상용계통(168)과 연료전지 스택(160) 중 적어도 하나로부터 공급되는 전원을 이용하여 각 구성요소에 필요한 크기의 전원을 공급한다.
배터리(175)는 전원 공급 장치(170)와 연결되어 전원 공급 장치(170)로부터 공급되는 전원을 이용하여 충전 동작을 실시하여, 상용계통(163)과 연료 전지 스택(160)의 동작이 비정상 상태이거나 정전 시와 같은 비상 시에 충전된 전원을 이용하여 구성 요소들의 동작이 이루어질 수 있도록 한다.
제어 장치 및 BOP(이하, '제어 장치'라 함)(180)는 전원 공급 장치(170)에 연결되어 전원 공급 장치(170)로부터 동작에 필요한 전원을 공급받고, 연료 전지 시스템의 전반적인 동작을 제어한다.
본 예에서, 연료 전지 시스템은 도 1에 도시한 장치들 이외에도 전장 및 제어보드, 펌프류, 블로워류, 동력 밸브류 등과 같은 별도의 주변 보조기기(BOP)를 추가로 구비할 수 있다.
전력 변환 장치(183)는 연료 전지 스택(160)와 전원 공급 장치(170)과 연결되어 있어 각 구성요소의 동작에 필요한 상태(직류 또는 교류)의 전원을 공급하기 위한 것이다.
이러한 전력 변환 장치(183)는, 본 예에서, 입력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터(inverter)((1831)와 입력되는 직류 전원을 원하는 크기의 적어도 하나의 직류 전원으로 변환하기 위한 직류-직류 변환기(DC-DC converter)(1832)를 구비하지만, 이에 한정되지 않고, 필요에 따라 인버터(1831)나 직류-직류 변환기(1832) 중 하나만 구비할 수 있다.
비상 부하(186)는 정전 등과 같은 비상 시 동작하는 부하로서, 전력 변환 장치(183)로부터 전력을 공급 받아 동작될 수 있다.
이러한 비상 부하(186)는 독립 운전 모드 시에도 전력을 공급받을 수 있다.
본 예에서, 비상 부하(186)는 무정전 전원 장치(UPS, uninterruptible power supply) 등을 구비하고 있고, 비상 시 연료 전지 스택(160)으로부터 공급되는 열에너지와 전력 중 적어도 하나를 이용하여 비상 시 필요한 전력을 발생시켜 전지 연료 시스템의 데이터 등에 대한 백업 동작 등과 같은 비상 시 필요한 동작을 수행하기 위한 것이다.
일반 부하(189)는 비상 시가 아니라 일반 상태 시 연료 전지 스택(160)과 상용계통(163) 중 적어도 하나로부터 전력을 공급받아 동작하는 부하일 수 있다.
스위치A(193), 스위치B(196) 및 스위치C(199)는 제어 장치(180)에 연결되어 제어 장치(180)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 스위칭 상태가 제어되는 스위치로서, 스위칭 상태에 따라 비상 부하(186)와 일반 부하(189)로 전력을 공급하기 위해 구현될 수 있다.
스위치A(193)는 전력 변환 장치(183)와 비상 부하(186)간의 연결을 위한 것이고, 스위치B(196)는 전력 변환 장치(183)와 비상 부하(186) 사이의 연결과 전력 변환 장치(183)와 상용 계통(163) 간의 연결을 위한 것이다.
스위치C(199)는 전력 변환 장치(183)와 일반 부하(189) 사이의 연결과 전력 변환 장치(183)와 상용 계통(163) 간의 연결을 위한 것이다.
이하, 이러한 구조를 갖는 본 예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 설명한다.
본 예에서, 밸브들(115, 120, 125, 130, 165)의 초기 상태는 닫힘(close) 상태이고, 스위치(193, 196,199)의 초기 상태는 개방 상태인 오프(off) 상태이다.
개질기(110)는 유량계 A(100)와 연료 승압기(105)를 통해 입력되는 연료를 개질 촉매 반응이 가능한 소정의 온도까지 상승시켜 개질 반응 조건을 확보한 후, 입력된 연료를 원하는 상태로 개질하여 원하는 상태의 개질 가스인 완전 조성 개질 가스를 생성해 연료 전지 스택(160)으로 공급한다.
따라서, 개질기(110)의 내부에는 제어 장치(180) 등에 따라 동작이 제어되는 히터(heater)가 구비되어 있다.
개질기(110)에서 개질 반응이 시작되면, 제어 장치(180)는 온도 감지부에 의해 감지된 개질기(110) 내부의 온도를 설정 온도와 비교하여 내부의 온도가 설정 온도에 도달하지 않을 경우, 개질기(110)의 상태가 완전 조성 개질 가스를 생성할 수 없는 상태인 불완전 상태로 판정해 밸브A(115)를 개방하여, 불완전한 조성의 개질 가스인 불완전 조성 개질 가스를 다시 개질기(110) 쪽으로 배출(vent)시켜 회수될 수 있다.
개질 가스에 대한 조성이 완벽하게 진행되면, 즉 개질기(110)의 내부의 온도가 설정 온도까지 상승하여 수소 함량이 원하는 정도로 함유된 완전 조성 개질 가스가 생성되면, 제어 장치(180)의 제어에 의해, 밸브A(115)는 폐쇄되고 밸브B(120)와 밸브E(165)는 개방되어, 연료 전지 스택(160)으로 개질 가스가 공급되어, 연료 전지 스택(180)에 의한 발전이 시작될 수 있도록 하고, 이로 인해, 연료 전지 스택(180)에서 발전된 전기가 전원 공급 장치(170)와 전력 변환 장치(183)로 공급되도록 한다.
연료 전지 스택(160)의 동작 시, 제어 장치(180)는 에어 블로워(173)를 동작시켜 연료 전지 스택(160)의 발전 동작에 필요한 산소가 공급될 수 있도록 한다.
본 예의 연료 전지 시스템에서는 별도의 저장 용기(145)에 개질 가스를 저장하기 위한 절차가 동시에 수행될 수 있다.
이를 위해, 연료 전지 시스템은 저장 용기(145)에 저장하고자 하는 개질 가스의 양을 고려하여 개질기(110)로 유입되는 연료의 양을 정해, 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스 이외에 추가로 저장 용기(145)에 원하는 양만큼의 개질 가스가 저장되도록 충분한 양의 개질 가스가 생성될 수 있도록 한다.
따라서, 제어 장치(180)는 연료 승압기(105)의 동작을 제어하여, 저장 용기(145)에 저장하고자 하는 양을 고려하여 개질기(110)로 유입되는 연료의 양을 증가시켜 생성되는 개질 가스의 양을 증가시킨 후 밸브C(125)를 개방시킨다. 이때, 개질기(110)로 유입되는 연료의 양은 제어 장치(180)의 제어에 따른 연료 승압기(105)의 동작에 의한 연료의 압력을 이용해 제어될 수 있다.
따라서, 개질기(110)의 배출구로 배출되는 개질 가스는 개방된 밸브C(125)를 통해 유량계B(135)를 지나 압축기(140)로 유입되어 소정의 압력으로 저장 용기(145)에 양으로 저장된다.
저장 용기(145)에 저장되는 개질 가스의 용량은 개질 반응 준비 시간인 웜-업 시간, 비상 부하의 동작에 필요한 시간, 연료 전지 시스템의 데이터 등에 대한 백업 동작에 필요한 시간 등에 결정될 수 있다.
이처럼, 저장 용기(145)에 개질 가스가 저장되어 있는 상태에서, 연료 전지 시스템의 동작 모드가 즉시 운전 모드가 되면, 개질기(110)는 동작을 시작하여 자신의 동작 상태를 입력되는 연료를 개질 시키기 위한 상태로 제어하고, 이때, 밸브B(120)는 폐쇄 상태를 유지한다.
하지만, 즉시 운전 모드가 되면, 제어 장치(180)의 제어에 의해 밸브D(130)는 개방 상태가 되어 저장 용기(145)에 이미 저장되어 있는 개질 가스는 압력 조정기(133)를 통과해 압력 조정이 이루어진 후 연료 전지 스택(160)으로 공급하여 정격 운전이 수행될 수 있다.
이때, 밸브D(130)가 개방될 때 제어 장치(180)의 제어에 의해 밸브E(165)도 함께 개방되어 연료 전지 스택(160)에서 배출되는 개질 가스가 다시 제2 유입구를 통해 개질기(110)로 유입될 수 있도록 한다.
즉, 제어 장치(180)는 입력되는 모드 선택 신호의 상태가 즉시 운전 모드로 판정되면, 연료 전지 시스템의 운전 모드를 즉시 운전 모드로 판정하여 해당 밸브D(130)와 밸브E(165)의 동작을 제어해 저장 용기(145) 내에 저장된 개질 가스가 바로 연료 전지 스택(160)으로 유입되어 개질기(110)의 동작 없이도 바로 연료 전지 스택(160)의 동작이 이루어질 수 있도록 한다.
이러한 즉시 운전 모드 중에서, 제어 장치(180)는 개질기(110)의 동작 상태에 해당 밸브A(115, 120, 165) 등의 동작을 제어하여 개질기(110)로 입력되는 연료에 대한 개질 동작을 이루어져 웜-업 시간 경과 후 완전 조성 개질 가스가 생산되도록 한다.
시간이 경과하여 개질기(110)의 동작 상태가 웜-업 시간이 경과해 완전 조성 개질 가스를 생성하는 정상 상태가 되면, 제어 장치(180)는 폐쇄 상태의 밸브B(120)를 개방되고 개방 상태였던 밸브D(130)와 밸브E(165)를 폐쇄한다.
이로 인해, 연료 전기 스택(160)으로 유입되는 개질 가스는 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스에서 개질기(110)에서 배출되는 개질 가스로 절체되어 연료 전기 스택(160)의 동작이 계속 이루어지도록 한다.
이처럼, 즉시 운전이 필요한 경우, 연료 전지 스택(160)은 개질기(110)로부터 유입되는 개질 가스를 이용하는 대신 저장 용기(145)에 이미 저장되어 있는 개질 가스를 이용해 동작하여 웜-업 기간 중에도 연료 전지 시스템이 운전되도록 하고, 개질기(110)의 동작 상태가 완전 조성 개질 가스를 생성할 수 있는 정상 상태가 되면 개질기(110)에서 생성된 개질 가스가 연료 전지 스택(160)으로 공급된다.
이로 인해, 개질기(110)의 동작 상태가 정상 상태로 도달하기까지 소요되는 웜-업 시간 동안에도 연료 전기 스택(160)에서의 전기 생산이 이루어지므로, 연료 전지 시스템은 동작 지연 없이 즉시 운전이 이루어진다.
정전이 발생하거나 상용계통(163)으로부터 전원 공급이 안될 때와 같이 비상 부하(186)가 동작되는 비상 시, 제어 장치(180)는 스위치A(193)와 스위치B(196)를 온 제어하여, 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스를 이용하여 연료 전지 스택(160)을 가동하여 비상 부하(186)에 전력을 공급하거나 상용계통(163)으로부터의 전력을 비상 부하(186)에 공급할 수 있다. 이 때, 제어 장치(180)에 의해 스위치A(193) 내지 스위치C(193, 196, 199)는 온 상태가 된다.
연료 공급이 없어 연료 전지 스택(160)이 동작 되지 않고 상용계통(163)으로부터의 전력이 공급되지 않아 연료에 의한 전력과 계통에 의한 전력이 둘 다 공급되지 않는 경우, 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스를 이용하여 연료 전지 스택(160)을 동작시켜 비상 부하(186)에 열 에너지와 전력을 공급하고, 배터리(175)의 충전 전원을 이용하여 비상 부하(186)에 전력을 공급할 수 있다. 이 때, 스위치A(193)와 스위치B(196)는 제어 장치(180)에 온 상태가 된다.
다음, 도 2와 도 3을 참고로 하여, 이러한 연료 전지 시스템의 구동 방법을 자세히 설명한다.
본 예에서, 연료 전지 시스템은 일반 운전 모드, 즉시 운전 모드 및 독립 운전 모드 중 하나의 모드에 따라 동작된다.
이때, 모드 선택은 이미 설명한 것처럼, 사용자의 선택 동작에 해당 상태의 모드 선택 신호를 출력하는 모드 선택 스위치나 제어 장치(180)나 외부 모니터링 장치 등에 의해 연료 전지 시스템의 동작 상태에 따라 발생하는 모드 선택 신호에 정해진다.
[일반 운전 모드 ]
먼저, 도 2를 참고로 하여 일반 운전 모드일 때 연료 전지 시스템의 동작을 설명한다.
도시하지 않은 동작 스위치 등의 동작에 의해 연료 전지 시스템의 동작이 시작되고 제어 장치(180)로 입력되는 모드 선택 신호의 상태가 일반 운전 모드이면, 제어 장치(180)는 연료 전지 시스템의 동작을 일반 동작 모드로 제어한다.
따라서, 제어 장치(180)는 연료 승압기(105)의 동작을 제어하여 개질기(110)로 연료가 공급될 수 있도록 하고, 이러한 연료의 공급에 따라 개질기(110)가 운전을 시작한다(S200).
다음 제어 장치(180)는 온도 감지부에서 인가되는 신호를 이용하여 개질기(110)의 내부 온도를 판정하고, 판정된 내부 온도와 제1 설정 온도를 비교하여 개질기(110)의 상태가 개질 반응을 위한 조건에 도달했는지 판단한다(S210).
판정된 내부 온도가 제1 설정 온도에 도달하면, 제어 장치(180)는 개질기(110)의 상태를 개질 반응을 위한 조건에 도달하여 개질 가스를 생성할 수 있는 상태로 판정하여 밸브A(115)를 개방한다(S220).
따라서, 밸브A(115)가 개방됨에 따라 개질기(110)의 배출구로부터 배출되는 불완전한 조성의 개질 가스인 불완전 조성 개질 가스는 밸브A(115)를 통해 다시 개질기(110)로 유입된다.
제어 장치(180)는 온도 감지부에서 인가되는 신호를 이용하여 개질기(110)의 내부 온도를 판정하고 판정된 내부 온도가 제2 설정 온도 이상으로 상승했는지 판단하여, 개질기(110)에서 생성되는 개질 가스가 원하는 상태의 개질 가스인 완전 조성 개질 가스를 생성할 수 있는 상태인지를 판단한다(S225). 이때, 제2 설정 온도는 제1 설정 온도보다 높다.
판정된 내부 온도가 제2 설정 온도 이상이 되면, 제어 장치(180)는 밸브A(115)를 닫고, 대신 밸브B(120)와 밸브E(165)를 개방하며(S230), 에어 블로워(173)를 동작시킨다(S240). 따라서, 이 경우, 밸브A(115)와 밸브D(130)는 닫힘 상태이고, 밸브B(120)와 밸브E(165)는 개방 상태이다.
이로 인해, 개방된 밸브B(120)를 통해 개질기(110)에서 배출된 수소를 함유한 개질 가스가 연료 전지 스택(160)으로 공급되고 에어 블로워(173)의 동작에 의해 공급된 산소에 의해, 연료 전지 스택(160)의 발전 동작이 이루어진다.
에어 블로워(173)는 개질 가스가 연료 전지 스택(160)으로 공급될 때 연동하여 동작될 수 있다. 이처럼, 개질 가스를 기반으로 연료 전지 스택(160)의 운전이 수행되어 연료 전지 스택(160)에서 직류 전원이 생성되고 생성된 직류 전원이 전력 변환 장치(183)로 공급되면 전력 변환 장치(183)의 인버터(1831)의 동작에 의해 직류 전원은 교류 전원으로 변환되어 온 상태의 스위치A(193), 스위치B(196) 및 스위치C(199)를 통해 일반 부하(189)와 비상 부하(186)로 전력이 공급되어 부하(189, 186)의 동작이 이루어지도록 한다(S250).
이처럼, 기본 운전 상태인 일반 운전 상태에서는 연료 전지 스택(160)이 구동되고, 스위치A(193), 스위치B(196) 및 스위치C(199)가 온 상태로 되어 일반 부하(189)와 비상 부하(186)로 전력이 공급될 수 있다.
이처럼, 부하(189, 186)로의 전력 공급이 이루어지는 상태에서 제어 장치(180)는 배터리(175)의 충전이 완료되었는지 여부를 판단한다(S260).
이를 위해, 배터리(175)는 자신의 충전 상태를 판단하여 충전 완료 여부에 따라 신호를 제어 장치(180)로 출력할 수 있다. 따라서, 제어 장치(180)는 배터리(175)로부터 인가되는 신호의 상태를 이용하여 배터리(175)의 충전 여부를 판정할 수 있다.
따라서, 배터리(175)의 충전이 완료되지 않는 상태로 판단되면, 제어 장치(180)는 전원 공급 장치(170)의 동작을 제어하여 전원 공급 장치(170)를 통해 연료 전지 스택(160)에서 생산된 전원으로 배터리(175)의 충전 동작이 이루어지도록 한다(S270).
이때, 연료 전지 스택(160)을 이용한 배터리(175)의 충전 동작은 연료 전지 스택(160)에서 생산된 전력이 부하(186, 189)의 동작에 의해 소비되는 전력보다 많은 경우에 행해질 수 있다.
이를 위해, 전원 공급 장치(170)는 부하(186, 189) 측으로부터 인가되는 전력을 이용하여 소비 전력을 산출하고, 산출된 소비 전력과 연료 전지 스택(160)으로부터 인가되는 전력(이하, 연료 전지 스택으로 인가되는 전력을 '전지 전력'이라 함)을 비교하여 전지 전력이 소비 전력보다 큰지 판단한다.
전지 전력이 소비 전력보다 크면, 전원 공급 장치(170)는 해당 상태의 신호를 제어 장치(180)로 출력하여 전지 전력이 소비 전력보다 큰 상태를 인지할 수 있도록 한다.
따라서, 제어 장치(180는 전지 전력이 소비 전력보다 큰 상태이면서 배터리(175)의 상태가 미충전 상태인 경우에만, 전지 전력을 이용한 배터리(175)의 충전 동작이 이루어질 수 있도록 한다.
단계(S260)에서 배터리(175)의 충전이 완료되면, 제어 장치(180)는 압력계(150)로부터 인가되는 신호를 이용하여 저장 용기(145)에 개질 가스의 저장이 완료되었는지 판단한다(S280).
즉, 제어 장치(180)는 압력계(150)로부터 인가되는 신호를 이용하여 저장 용기(145) 내의 압력을 판정하고, 판정된 압력이 설정 압력에 도달하면 저장 용기(145) 내에 원하는 양만큼[즉, 저장 용기(145)의 용량만큼] 개질 가스가 저장된 상태로 판단한다.
따라서, 저장 용기(145)로 원하는 양만큼 개질 가스가 저장된 상태로 판단되면(S280), 연료 전지 시스템은 개질기(110)로부터만 인가되는 개질 가스를 이용하여 운전한다. 하지만, 저장 용기(145)에 원하는 양만큼 개질 가스가 저장되어 있지 않은 상태로 판단되면(S280), 제어 장치(180)는 저장 용기(145)로 개질 가스를 압축 저장하기 위한 동작을 수행한다(S30).
도 3을 참고로 하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서 개질 가스를 저장 용기(145)에 압축 저장하는 동작을 자세히 설명한다.
도 3을 참조하면, 제어 장치(180)는 유량계A(100)와 연료 승압기(105)를 이용하여 저장 용기(145)로 저장되는 양만큼 개질 가스의 생산이 이루어질 수 있도록 개질기(110)로 유입되는 연료의 양을 증가시킨다(S300).
이를 위해, 제어 장치(180)는 유량계A(100)에서 인가되는 신호를 판독하여 현재 유입되는 연료의 양을 판정하고 판정된 연료량이 설정 연료량보다 적으면, 저장 용기(145)로 저장을 위한 개질 가스를 위해 연료의 공급량을 증가시켜야 하는 상태로 판단한다.
따라서, 판정된 연료량이 설정 연료량보다 적으면, 제어 장치(180)는 개질기(110)로 유입되는 연료의 양이 설정 연료량으로 증가될 때까지 연료 승압기(105)의 동작을 제어하여 재질기(110)로 유입되는 연료의 압력을 증가시키고, 이때, 연료 승압기(105)의 동작은 판정된 연료량의 값에 기초하여 제어될 수 있다.
이로 인해, 개질기(110)로 유입되는 연료의 양은 저장 용기(145)에 저장하고자 하는 양만큼[즉 저장 용기(145)의 용량] 증가되어 개질기(110)에서 생성되는 개질 가스는 증가하게 된다.
이처럼, 압력 승압기(105)를 이용하여 개질기(110)로 증가되는 연료의 양이 증가되면, 제어 장치(180)는 밸브C(125)를 열고, 밸브D(130)를 닫힘 상태로 유지하여 개방된 밸브C(125)를 통과한 개질 가스가 압축기(140)에 의해 소정의 압력으로 압축된 후 저장 용기(145)로 전달되도록 하여 저장 용기(145)로의 개질 가스의 저장 동작이 이루어질 수 있도록 한다(S310).
저장 용기(145)에 개질 가스가 저장되는 동작 중에도 밸브B(120)와 밸브E(165)는 여전히 열림 상태이므로 밸브B(120)를 통해 연료 전지 스택(160)로 개질 가스가 공급되어 연료 전지 스택(160)의 발전 동작은 유지된다.
이때, 저장 용기(145)의 용량은 이미 기술한 것처럼 웜-업 시간, 비상 부하의 동작에 필요한 시간, 연료 전지 시스템의 데이터 등에 대한 백업 동작에 필요한 시간 등에 결정될 수 있다.
이처럼, 저장 용기(145)로의 개질 가스 저장을 위해 밸브C(125)가 열리게 되면, 제어 장치(180)는, 유량계B(135)와 압축기(140)의 동작을 제어하여, 개질기(110)로 입력되는 연료량의 증가분에 따라 증가된 개질 가스의 증가량만큼 저장 용기(145)에 압축 저장될 수 있도록 한다.
따라서, 제어 장치(180)는 유량계A(100)에 의해 판정된 입력되는 연료량을 이용하여 개질기(110)로 유입되는 연료양의 증가분을 판정하여 증가된 연료량만큼의 개질 가스가 저장 용기(145)내로 유입될 수 있도록 압축기(140)의 동작을 제어한다(단계 S320). 이때, 제어 장치(180)는 유량계B(135)의 신호에 의해 판정된 저장 용기(145)로의 유입되는 가스의 양이 연료량의 증가분이 될 때까지 압축기(140)의 동작을 제어할 수 있다.
이처럼, 저장 용기(145)로 개질 가스가 저장되면, 제어 장치(180)는 압력계(150)로부터 인가되는 신호를 이용하여 저장 용기(145) 내의 압력을 판정하고, 판정된 압력이 설정 압력에 도달했는지 판단하여 저장 용기(145)로 원하는 양만큼의 개질 가스의 저장이 이루어졌는지 판단한다(S330).
판정된 저장 용기(145)의 압력이 설정 압력보다 작으면, 제어 장치(180)는 원하는 양만큼 저장 용기(145)에 개질 가스가 저장되지 않는 상태로 판단한다. 따라서, 제어 장치(180)는 단계(S300)로 넘어가 계속적으로 저장 용기(145)에 개질 가스의 저장 동작이 이루어지도록 한다.
하지만, 저장 용기(145)의 압력이 설정 압력에 도달하면, 제어 장치(180)는 원하는 양만큼의 개질 가스가 저장 용기(145) 내에 저장된 상태로 판단하여 밸브C(125)를 폐쇄하고, 압축기(140)의 동작을 중지 상태[오프(OFF) 상태]로 제어하여 더 이상 저장 용기(145) 내로 개질 가스가 유입되지 않도록 한다(S340).
이처럼, 저장 용기(145)로 개질 가스의 저장이 완료되면, 저장 용기(145)로 저장을 위한 개질 가스를 추가로 생성할 필요가 없다.
따라서, 제어 장치(180)는 개질기(110)가 연료 전지 스택(160)으로만 공급되는 양만큼의 개질 가스를 생성할 수 있도록 개질기(110)로 유입되는 연료의 양을 감소시킨다.
그러므로, 제어 장치(180)는 유량계A(100)로부터 인가되는 신호를 이용하여 유입되는 연료량을 판정하고 판정된 연료량이 정해진 연료량으로 감소될 수 있도록 연료 승압기(106)의 동작을 제어하여 개질기(110)로 유입되는 연료의 압력을 감소시킨다(S350).
이로 인해, 개질기(110)로 유입되는 연료량은 저장 용기(145)로 유입되기 위해 추가 생성된 개질 가스를 제외한 양만큼의 개질 가스를 생성할 수 있는 정도로 설정된다.
이와 같이, 일반 운전 모드인 경우, 저장 용기(145)에 개질 가스가 원하는 양만큼 저장되지 않는 경우, 제어 장치(180)는 연료 전지 스택(160)으로 정상적으로 개질 가스의 공급이 이루어져 발전 동작이 이루어지도록 함과 동시에 원하는 양만큼 저장 용기(145)로의 개질 가스 저장이 이루어질 수 있도록 한다.
[즉시 운전 모드 ]
이처럼, 저장 용기(145)에 개질 가스가 저장된 상태에서, 제어 장치(180)로 인가되는 모드 선택 신호의 상태가 즉시 운전 모드이면, 제어 장치(180)는 저장 용기(145)의 개질 가스를 이용하여 연료 전지 스택(160)의 즉시 운전이 이루어지도록 한다.
도 4를 참고로 하여, 즉시 운전 모드일 때의 제어 방법을 설명한다.
동작 모드가 즉시 운전 모드로 판정되면, 제어 장치(180)는 먼저 상용 계통(163)으로부터 정상적으로 전력이 공급되는지 판단한다(S400).
이때, 상용 계통(163)으로의 정상 전력 공급 여부를 하기 위해, 제어 장치(180)는 상용 계통(163)의 전압을 측정하기 위해 별도로 설치된 전압기의 출력을 이용할 수 있다. 따라서, 전압기에 의해 감지된 전압이 설정 전압 이하인 경우, 제어 장치(180)는 정정 등의 이유로 상용 계통(163)로부터의 전력 공급이 이루어지지 않는 상태로 판단한다.
- 상용 전원 공급 시
따라서, 상용 계통(163)으로의 전력 공급이 이루어지는 경우(S400), 제어 장치(180)는 스위치A 내지 스위치C(193, 196, 199)를 모두 온 상태로 제어한다(S405).
다음, 제어 장치(180)는 배터리(175)의 충전 전압으로 연료 전지 시스템의 동작에 필요한 전원 공급이 이루어지도록 하고, 이로 인해, 비상 부하(186)와 일반 부하(189)로도 배터리(175)의 충전 전압이 인가된다(S410).
다음, 제어 장치(180)는 밸브D(130)를 개방하고 에어 플로워(173)를 동작시켜 저장 용기(145) 내의 개질 가스가 압력 조정기(133)를 거쳐 연료 전지 스택(160)으로 유입될 수 있도록 한다(S415).
따라서, 연료 전지 스택(160)의 동작에 의해 발전이 이루어져 배터리(175)로의 충전 동작이 이루어지고, 부하(186, 189)로는 전지 전력과 상용계통(163)에서 공급되는 상용전력 중 적어도 하나가 공급된다(S420).
이러한 즉시 운전 모드 시에도, 제어 장치(180)는 개질기(110)와 밸브(120, 115) 등의 동작을 제어하여 개질기(110)에서의 개질 가스 생성 동작을 별도로 제어한다.
이처럼, 별도로 개질기(110)의 동작이 제어되는 상태에서, 제어 장치(180)는 연료계A(100)로부터 인가되는 신호와 온도 감지부로부터 인가되는 신호를 이용하여 개질기(110)로 연료가 유입되고 개질기(110)의 상태가 완전 조성 개질 가스를 생성하는 정상 상태인지 판단한다, 즉 개질기(110)가 동작하고 웜-업 시간이 경과했는지 판단한다(S425).
개질기(110)로의 연료 공급이 이루어지고 개질기(110) 내의 상태가 완전 조성 개질 가스를 생성하는 상태로 판정되면(S425), 제어 장치(180)는 밸브D(130)를 닫고 도 2의 단계(S230)로 넘어가 일반 동작 모드로 연료 전지 시스템이 동작될 수 있도록 한다.
하지만, 연료계A(100)로 연료가 유입되지 않거나 개질기(110)의 상태가 완전 조성 개질 가스를 생성할 수 있는 상태가 아닌 경우, 제어 장치(180)는 저장 용기(145) 내의 개질 가스를 이용하여 연료 전지 시스템의 발전 동작을 실시한다.
따라서, 이처럼, 저장 용기(145)의 저장 가스를 이용하여 발전 동작이 이루어지면, 제어 장치(180)는 압력계(150)를 이용하여 판정된 저장 용기(145) 내의 압력이 중지 조건 압력인 설정 압력 이하로 감소된 상태로 판단되면(S430), 즉 저장 용기(145) 내에 저장된 개질 가스가 모두 소모된 상태로 판단되면 제어 장치(180)는 연료 전지 시스템의 발전 동작을 중지하여(S435), 저장 용기(145) 내의 저장 가스가 모두 소진될 때까지 연료 전지 시스템의 발전 동작이 이루어지도록 한다.
- 상용 전원 미공급 시
하지만, 상용 계통(163)으로의 전력 공급이 이루어지지 않는 경우(S400), 제어 장치(180)는 스위치A(193)와 스위치B(196)를 온 시키고 스위치C(199)를 오프시킨다(S440).
이로 인해, 제어 장치(180)의 제어에 따라, 배터리(175)의 충전 전압은 연료 전지 시스템의 동작에 필요한 전원 공급 및 비상 부하(186)로 인가된다(S445).
다음, 제어 장치(180)는 저장 용기(145)의 개질 가스를 이용한 연료 전지 스택(160)의 발전 동작을 위해 밸브D(130)를 개방하고 에어 플로워(173)를 동작시킨다(S450).
따라서, 저장된 개질 가스에 의해 연료 전지 스택(160)의 발전 동작이 이루어져, 제어 장치(180)는 배터리(175)의 충전 동작을 제어하고 온된 스위치(193, 196)를 통해 부하(186)로는 전지 전력이 공급되도록 한다(S455).
이미 설명한 것처럼, 즉시 운전 모드 시에도, 제어 장치(180)는 개질기(110)와 밸브(120, 115) 등의 동작을 제어하여 개질기(110)에서의 개질 가스 생성 동작을 별도로 제어한다.
따라서, 이후의 동작은 이미 설명한 것과 동일하게, 제어 장치(180)는 연료계A(100)로부터 인가되는 신호와 온도 감지부로부터 인가되는 신호를 이용하여 개질기(110)의 웜-업 동작이 완료되었는지를 판단하여 밸브D(130)를 닫고 도 2의 단계(S230)로 넘어가 일반 동작 모드로 연료 전지 시스템이 동작되도록 한다(S460, S465, S470).
[독립 운전 모드 ]
독립 운전 모드는 연료 전지 시스템이 상용 계통(163)과 분리된 상태나 정전이나 플러그 탈거 동작 등으로 인해 상용 계통(163)의 전원이 존재하지 않는 경우이다.
제어 장치(180)는 모드 선택 신호의 상태를 이용하여 운전 모드가 독립 운전 모드인지 판정하여 연료 전지 시스템의 동작을 제어하고, 상용 계통(163)의 전원 존재 여부는 전압계 등을 이용하여 판정할 수 있다.
독립 운전 모드는 연료 전지 시스템이 정상적인 운전 중에 상용 계통(163)이 끊어지는 첫 번째 경우와 사용 계통(163)이 끊어진 상태에서 연료 전지 시스템이 운전하는 두 번째 경우로 나뉜다.
첫 번째 경우는 다시 개질기(110)로 입력되는 연료가 차단된 경우와 개질기(110)로의 연료 공급이 이루어지는 경우로 나뉜다.
따라서, 연료가 차단된 경우, 제어 장치(180)는 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스로 연료 전지 시스템을 운전시켜 부하(186, 189)에 전력이 공급될 수 있도록 하고 개질 가스가 소진되면 연료 전지 시스템의 동작을 중지시킨다.
반면, 연료 공급이 이루어지는 경우, 연료 전지 시스템은 지속적으로 운전이 이루어진다.
두 번째의 경우에도 개질기(110)로 입력되는 연료가 차단된 경우와 개질기(110)로의 연료 공급이 이루어지는 경우로 나뉜다
따라서, 연료가 차단된 경우, 제어 장치(180)는 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스를 통해 연료 전지 시스템의 운전을 제어하여 부하(186, 189)에 전력을 공급하고, 저장된 개질가스가　소진되면 시스템은 정지된다.
연료가 차단되지 않은 경우, 제어 장치(180)는 저장 용기(145)의 저장 개질 가스를 이용해 연료 전지 시스템을 운전시켜 부하(186, 189)로 전력을 공급하는 동시에 개질기(110)를 동작시켜 개질기(110)의 상태가 완전 조성 개질 가스를 생성하는 상태가 되면 연료 전지 스택(160)으로 인가되는 개질 가스를 저장 용기(145)의 개질 가스에서 개질기(110)에서 생성된 개질 가스로 절체하여 지속적으로 부하(186, 189)에 전력이 공급될 수 있도록 한다.
[고속 운전 모드 ]
본 예와 달리, 대안적인 예에서, 연료 전지 시스템은 고속 운전 모드를 더 구비할 수 있고, 고속 운전 모드는 비상 부하(186) 및 일반 부하(189)에서 소비되는 소비 전력이 정상 범위보다 커 연료 전지 시스템의 발전 용량이 일반적인 경우보다 큰 용량을 필요로 하는 경우에 사용될 수 있다.
따라서, 연료 전지 시스템의 운전 모드가 고속 운전 모드이며, 제어 장치(180)는 밸브B(120)와 밸브D(130)를 개방하여 개질기(110)로부터 공급되는 개질 가스와 저장 용기(145)로부터 공급되는 개질 가스가 전력 발전을 위해 연료 전지 스택(160)으로 공급될 수 있도록 한다.
이때, 고속 운전 모드에서, 연료 전지 스택(160)으로 추가적으로 공급되어야 하는 개질 가스(즉, 추가 개질 가스)의 양을 고려하여 밸브D(130)의 개방 정도가 결정될 수 있다.
예를 들어, 연료 전지 스택(160)으로 제공되어야 할 추가 개질 가스의 양이 70ℓ~100ℓ 범위인 경우, 밸브D(130)의 개방 정도는 완전히 개방된 때의 70%~100% 사이로 결정될 수 있다.
또한, 연료 전지 스택(160)으로 제공되어야 할 추가 개질 가스의 양이 40ℓ~70ℓ범위인 경우, 밸브D(130)의 개방 정도는 40%~70% 사이로 결정될 수 있고, 연료 전지 스택(160)으로 제공되어야 할 추가 개질 가스의 양이 0ℓ~40ℓ 범위이면 밸브D(130)의 개방 정도는 0~40% 사이로 결정될 수 있다.
이러한 추가 개질 가스의 양에 대한 정보는 제어 장치(180)로 전달되고, 제어 장치는 추가 개질 가스의 양에 대한 정보를 기반으로 해당 밸브(130)의 개방 정도를 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 제어 장치(180)는 개질기(110)의 웜-업 동작 이후 전달되는 개질 가스의 양을 고려하여 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 전달되는 개질 가스의 양이 조정할 수 있다.
웜-업 동작이 시작된 직후부터 설정 상태까지의 웜-업 초기 시, 제어 장치(180)는 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양을 증가시킬 수 있다. 이때, 웜-업 동작 이후, 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양은 밸브B(120) 후단에 설치된 별도의 측정부(미도시)를 통해 측정될 수 있다.
따라서, 측정부에 의해 측정되어 전달되는 개질 가스의 양에 대한 정보는 제어 장치(180)로 전달될 수 있고, 제어 장치(180)는 입력된 개질 가스의 양에 대한 정보를 고려하여 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 전달되는 개질 가스의 양을 결정할 수 있다.
개질 가스의 양에 대한 정보에 따라 웜-업 초기에는 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양이 적으므로, 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양은 상대적으로 많을 수 있다. 하지만, 웜-업 초기 이후부터는 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양이 증가하여 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양 역시 증가하므로, 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양은 감소할 수 있다.
도 5에서는 개질기(110)가 웜-업 시간(즉, 웜-업 상태)과 개질기(110)로 공급되는 연료의 양을 고려하여 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 개질 가스를 공급하는 방법이 개시된다.
도 5를 참조하면, 개질기(110)가 웜-업 시간은 주변 환경의 온도에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 개질기(110)의 웜-업을 위해 개질기(110) 내부의 온도를 80도까지 올리기 위해서는 여름보다 겨울에 더 많은 시간이 필요할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서, 제어 장치(180)는 온도 감지부를 이용하여 측정한 외부 측정 온도를 이용하여 개질기(110)의 웜-업 완료 시까지의 예상 시간인 예상 웜-업 시간을 결정할 수 있다(S500).
예상 웜-업 시간은 현재 연료 전지 시스템의 외부 환경의 온도가 높을수록 짧아지고, 현재 연료 전지 시스템의 외부 환경의 온도가 낮을수록 길어질 수 있다.
따라서, 제어 장치(180)는 이미 저장되어 있는 데이터를 이용하여 외부 환경의 온도에 대한 예상 웜-업 시간을 결정하고, 결정된 예상 웜-업 시간에 따라 저장 용기(145)에서 연료 전지 스택(160)으로의 개질 가스 공급 시간을 결정할 수 있다(S510).
예상 웜업 시간 동안은 밸브D(130)의 개방 정도가 완전 개방 상태인 100%로 설정되어 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 개질 가스가 공급될 수 있다.
예상 웜업 시간 이후에, 제어 장치(180)는 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양을 고려해 밸브D(130)의 개방 정도를 100%보다 작게 정해진 정도(%)로 설정하여 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 개질 가스가 공급될 수 있다.
이후, 연료 전지 시스템의 동작 모드가 고속 운전 모드가 아니고, 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양이 연료 전지 스택(160)의 동작을 위해 충분한 경우, 밸브D(130)는 폐쇄되고 다시 개질기(110)로부터 저장 용기(145)로의 개질 가스 저장 동작이 진행될 수 있다.
이뿐만 아니라 제어 장치(180)는 유량계A(100)에 의해 측정된 유입되는 연료의 양을 고려하여 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양을 조정할 수도 있다.
연료 전지 시스템이 일반 동작 모드인 경우에도 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양이 충분하지 않을 수 있다.
이처럼, 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양이 충분하지 않은 경우, 제어 장치(180)는 일반 동작 모드에서도 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스를 연료 전지 스택(160)으로 공급하도록 설정할 수 있다.
이 경우, 제어 장치(180)는 유량계A(100)에 의해 판정된 유입되는 연료의 양과 설정량을 이용하여 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양이 충분하지 않는지의 여부를 판정할 수 있다.
도 6에서는 개질 가스를 저장하기 위한 저장 용기를 분할하여 서로 다른 압력으로 개질 가스를 저장하기 위한 개념이 개시된다.
도 6을 참조하면, 개질 가스의 저장 용기는 내부 공간이 복수 개의 공간으로 분할되고, 분할된 각 공간에 서로 다른 압력의 개질 가스가 저장될 수 있다.
예를 들어, 개질 가스의 저장 용기의 제1 분할 공간(610)에는 제1 압력의 개질 가스가 저장되고, 개질 가스의 저장 용기의 제2 분할 공간(620)에서는 제2 압력의 개질 가스가 저장될 수 있다. 제1 압력은 제2 압력보다 높은 압력일 수 있다.
웜-업 초기에는 제1 분할 공간(610)에 저장된 제1 압력의 개질 가스가 저장 용기로부터 연료 전지 스택(160)으로 전달될 수 있고, 웜-업 초기 이후, 개질 가스가 개질기(110)에서 연료 전지 스택(160)으로 전달되는 경우, 제2 분할 공간(620)에 위치한 제2 압력의 개질 가스가 저장 용기로부터 연료 전지 스택(160)으로 전달될 수 있다.
이처럼, 웜-업 초기에 저장 용기로부터 연료 전지 스택(160)으로 많은 개질 가스의 전달이 필요한 경우, 제1 압력의 개질 가스가 연료 전지 스택(160)에서 요구되는 압력으로 변환된 후 연료 전지 스택(160)으로 공급되어, 상대적으로 많은 양의 개질 가스가 연료 전지 스택(160)으로 공급될 수 있다.
웜-업 중반기와 후반기처럼 저장 용기로부터 연료 전지 스택(160)으로 상대적으로 적은 양의 개질 가스의 전달이 필요한 경우, 제2 압력의 개질 가스가 연료 전지 스택(160)에서 요구되는 압력으로 변환된 후 연료 전지 스택(160)을 공급되어, 상대적으로 적은 양의 개질 가스가 연료 전지 스택(160)으로 공급될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2 압력의 개질 가스가 웜-업 초기에 저장 용기로부터 연료 전지 스택으로 공급되고, 제2 압력의 개질 가스의 공급에 따라 제2 분할 공간(620) 내의 압력이 제2 압력보다 작아지는 경우, 제1 분할 공간(610)에 위치한 제1 압력의 개질 가스가 제2 분할 공간(620)으로 이동하여 제2 분할 공간(620)의 개질 가스의 압력이 제2 압력으로 유지될 수도 있다.
이때, 제어 장치(180)는 개질기 내의 온도 변화를 이용하거나 연료 전지 시스템의 운전 이후 경과 시간을 이용하여 웜-업 상태(즉, 웜-업 초기, 웜-업 중반기 및 웜-업 후반기 등)의 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 압력과 제2 압력은 연료 전지 시스템의 동작과 연료의 양에 따라 다르게 설정될 수 있다.
예를 들어, 저장 용기로 공급되는 연료의 양이 임계 값보다 많은 경우, 제1 압력은 상대적으로 높은 값으로 설정될 수 있다. 저장 용기로 공급되는 연료의 양이 많은 경우, 보다 많은 양의 개질 가스를 저장하기 위해 제1 압력을 상대적으로 높게 설정하여 보다 많은 개질 가스가 저장 용기에 보관될 수 있다.
다른 예를 들어, 저장 용기로 공급되는 연료의 양이 임계 값보다 작거나 같은 경우, 제1 압력은 상대적으로 작은 값으로 설정될 수 있다. 저장 용기로 공급되는 연료의 양이 적은 경우, 연료 전지 스택으로 개질 가스의 공급을 위한 불필요한 압력 변화를 피하기 위해 제1 압력이 상대적으로 작은 값으로 설정되어 개질 가스가 저장 용기에 보관될 수 있다.
도 6에서는, 설명의 편의상, 개질 가스의 저장 용기가 복수개의 공간(610, 620)으로 분할되어 분할된 각 공간(610, 620)에 서로 다른 압력의 개질 가스가 저장되지만, 개질 가스의 저장 용기를 복수 개로 정하고 각 저장 용기에 서로 다른 압력의 개질 가스가 저장될 수도 있다.
이와 같이, 저장 용기가 복수의 분할 공간으로 나눠져 있는 경우, 각 분할 공간의 유입구에는 제어 장치의 동작에 의해 제어되는 전자 밸브가 존재하며 또한 각 분할 공간의 배출구에도 전자 밸브가 존재할 수 있다. 또한 필요에 따라 압축기와 압력 조정기가 추가로 부착될 수 있다. 따라서, 제어 장치는 개질기의 동작 상태에 따라 각 해당하는 전자 밸브의 동작을 제어하여 원하는 시기에 해당 분할 공간으로 개질 가스가 유입되고 배출될 수 있도록 한다.
분할 공간 사이에 서로 다른 압력의 가스가 이동하는 경우, 서로 인접한 분할 공간 사이에도 제어 장치의 동작에 의해 개방 상태가 제어되는 전자 밸브가 부착될 수 있다. 이로 인해, 제어 장치는 압력기 등을 이용해 판정된 각 분할 공간 내의 압력에 따라 전자 밸브의 동작을 제어하여 인접한 분할 공간 사이의 가스 이동이 이루어질 수 있도록 한다.
이와 같은 연료 전지 시스템 진단 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 개질기에서 유입되는 연료에 대한 개질 반응이 시작되면, 제1 밸브를 개방하여 상기 개질기에 의해 생성된 불완전 조성 개질 가스를 배출하는 단계,
    상기 개질기에서 상기 불완전 조성 개질 가스의 배출 이후 완전 조성 개질 가스가 배출되면, 상기 제1 밸브를 닫고 제2 밸브를 개방하여 상기 개질기에 의해 생성된 상기 완전 조성 개질 가스를 연료 전지 스택으로 전달하는 단계,
    제3 밸브를 개방하여 상기 개질기에 의해 생성된 상기 완전 조성 개질 가스를 저장 용기에 저장하는 단계,
    압력계에서 인가되는 신호를 이용하여 상기 저장 용기 내의 압력을 판정하는 단계,
    판정된 상기 압력과 설정 압력을 비교하는 단계,
    판정된 상기 압력이 상기 설정 압력에 도달하면 상기 제3 밸브를 닫는 단계,
    연료 승압기의 동작을 제어하여 상기 개질기로 유입되는 연료의 양을 감소시키는 단계, 그리고
    운전 모드가 즉시 운전 모드이면, 제4 밸브를 개방하여 상기 저장 용기에 저장된 완전 조성 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 하는 단계
    를 포함하되,
    온도 감지부를 이용하여 측정한 외부 측정 온도를 이용하여 상기 개질기의 웜-업 완료 시까지의 예상 시간인 예상 웜-업 시간을 결정하고, 상기 예상 웜-업 시간 동안은 상기 제4 밸브를 완전 개방하고, 상기 예상 웜-업 시간 이후에 동안은 상기 개질기로부터 상기 연료 전지 스택으로 공급되는 개질 가스의 양을 고려해 상기 제4 밸브의 개방 정도를 정해진 정도에 맞게 개방하고,
    상기 저장 용기는 내부 공간이 복수 개의 공간으로 분할되고, 분할된 각 공간에 서로 다른 압력의 개질 가스가 저장되어,
    상기 웜-업 초기에는 높은 압력의 개질 가스가 저장된 분할 공간에 저장된 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 공급되고, 상기 웜-업 초기 이후에는 낮은 압력의 개질 가스가 저장된 분할 공간에 저장된 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 공급되도록 하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  2. 제1항에서,
    유입되는 상기 연료의 양은 상기 저장 용기에 저장되는 상기 완전 조성 개질 가스의 압축 압력과 상기 저장 용기의 용량에 따라 결정되는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    운전 모드가 고속 운전 모드이면, 상기 제2 밸브와 제4 밸브를 개방하여 개질기로부터 공급되는 개질 가스와 상기 저장 용기로부터 공급되는 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 하는 단계
    를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  6. 제1 유입구를 통해 유입되는 연료를 원하는 상태의 가스로 개질하여 개질 가스를 배출하는 개질기,
    상기 개질기의 배출구와 제2 유입구 사이에 위치하는 제1 밸브,
    상기 개질기의 배출구에 연결되어 있는 제2 밸브,
    상기 제2 밸브에 연결되어 있고, 상기 제2 밸브를 통해 유입되는 개질 가스를 이용하여 전기를 생산하는 연료 전지 스택,
    상기 개질기의 배출구에 연결되어 있는 제3 밸브,
    상기 제3 밸브와 연결되고 내부 공간이 복수 개의 공간으로 분할되고, 분할된 각 공간에 서로 다른 압력의 개질 가스가 저장될 수 있는 저장 용기,
    상기 저장 용기와 상기 연료 전기 스택의 유입구 사이에 위치하는 제4 밸브,
    상기 연료 전지 스택의 배출구와 상기 개질기의 제2 유입구 사이에 위치하는 제5 밸브, 그리고
    상기 제1 내지 제5 밸브에 연결되어 상기 제1 밸브 내지 제5 밸브의 개폐 상태를 제어하는 제어 유닛
    을 포함하고,
    상기 제어 유닛은,
    상기 개질기에서 개질 반응이 시작되면 제1 밸브를 개방하여 불완전 조성 개질 가스를 상기 개질기 쪽으로 배출하고,
    상기 개질기에서 완전 조성 개질 가스가 생성되면 제2 밸브와 상기 제5 밸브를 개방하여 상기 연료 전지 스택으로 완전 조성 개질 가스를 유입시켜 상기 연료 전지 스택을 동작시키고,
    상기 제3 밸브를 개방하여 상기 저장 용기로 완전 조성 개질 가스를 저장하고,
    모드 선택 신호의 상태가 즉시 운전 모드이면, 상기 제4 밸브를 개방하여 상기 저장 용기에 저장된 완전 조성 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 하되,
    온도 감지부를 이용하여 측정한 외부 측정 온도를 이용하여 상기 개질기의 웜-업 완료 시까지의 예상 시간인 예상 웜-업 시간을 결정하고, 상기 예상 웜-업 시간 동안은 상기 제4 밸브를 완전 개방하고, 상기 예상 웜-업 시간 이후에 동안은 상기 개질기로부터 상기 연료 전지 스택으로 공급되는 개질 가스의 양을 고려해 상기 제4 밸브의 개방 정도를 정해진 정도에 맞게 개방하고,
    상기 웜-업 초기에는 높은 압력의 개질 가스가 저장된 분할 공간에 저장된 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 공급되고, 상기 웜-업 초기 이후에는 낮은 압력의 개질 가스가 저장된 분할 공간에 저장된 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 공급되도록 하는
    연료 전지 시스템.
  7. 제6항에서,
    상기 제어 유닛과 연결되어 있고 상기 개질기 내부의 온도를 감지하는 온도 감지부를 더 포함하고
    상기 제어 유닛은 상기 온도 감지부에서 출력되는 감지 신호를 이용하여 상기 개질기의 내부 온도를 판정하고, 판정된 내부 온도가 제1 설정 온도에 도달하면 상기 제1 밸브를 개방하고, 판정된 내부 온도가 제2 설정 온도 이상이면 상기 제1 밸브를 닫고 제2 밸브를 개방하는
    연료 전지 시스템.
  8. 제7항에서,
    상기 제어 유닛과 연결되어 있고 상기 저장 용기의 내부 압력을 감지하는 압력계를 더 포함하고,
    상기 제어 유닛은 상기 압력계에서 인가되는 신호를 이용하여 상기 저장 용기의 내부 압력을 판정하고 판정된 내부 압력이 설정 압력 미만이면 상기 제3 밸브를 개방하는
    연료 전지 시스템.
  9. 제8항에서,
    상기 제어 유닛에 연결되어 있고 상기 개질기 쪽으로 유입되는 연료의 양을 측정하는 제1 유량계, 그리고
    상기 제어 유닛에 연결되어 있고, 상기 제1 유량계를 통과하여 상기 개질기 쪽으로 유입되는 연료의 압력을 조정하는 연료 승압기
    를 더 포함하고,
    상기 제어 유닛은 판정된 내부 압력이 설정 압력 미만이면 상기 제1 유량계에 의해 판정된 연료의 양이 설정량에 도달하지 않는 경우, 상기 연료 승압기를 제어하여 상기 개질기로 유입되는 연료의 양을 증가시키고,
    상기 설정량은 상기 저장 용기에 저장되는 상기 완전 조성 개질 가스의 압축 압력과 상기 저장 용기의 용량에 따라 결정되는
    연료 전지 시스템.
  10. 제6항에서,
    상기 제어 장치는 모드 선택 신호의 상태가 고속 운전 모드이면, 상기 제2 밸브와 상기 제4 밸브를 개방하여 개질기로부터 공급되는 개질 가스와 상기 저장 용기로부터 공급되는 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 하는 연료 전지 시스템.
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