KR102130705B1 - Method for Operation of Molten Carbonate Fuel Cell and System thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 운전방법에 관한 것으로, 구체적으로 연료전지의 스택에 공급되는 가스의 유량을 조절하여 수명 안정성을 향상시킨 용융탄산염 연료전지 운전방법에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell operating method, and more particularly, to a molten carbonate fuel cell operating method having improved life stability by controlling a flow rate of gas supplied to a stack of fuel cells.

Description

용융탄산염 연료전지의 운전방법 및 연료전지 시스템{Method for Operation of Molten Carbonate Fuel Cell and System thereof}Method for operation of molten carbonate fuel cell and fuel cell system {Method for Operation of Molten Carbonate Fuel Cell and System thereof}

본 발명은 연료전지 운전방법에 관한 것으로, 구체적으로 연료전지의 스택에 공급되는 가스의 유량을 조절하여 수명 안정성을 향상시킨 용융탄산염 연료전지 운전방법에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell operating method, and more particularly, to a molten carbonate fuel cell operating method having improved life stability by controlling a flow rate of gas supplied to a stack of fuel cells.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 대체 에너지의 일종인 연료전지는 에너지를 저장하는 2차 전지와 달리 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 발생시키는 발전 시스템으로, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다. 연료전지에 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 알칼리 연료전지 등으로 분류되며, 종류에 따라 작동온도, 출력규모 및 이용분야에서 차이를 보이고 있다.Recently, as the depletion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. A fuel cell, which is a kind of alternative energy, is a power generation system that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen unlike a secondary battery that stores energy. It does not emit pollutants such as NO x and SO x, and is used. It is especially attracting attention due to its advantages such as rich fuel. According to the type of electrolyte used in fuel cells, it is classified into phosphate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, molten carbonate fuel cells, alkaline fuel cells, etc. It shows differences in scale and usage.

그 중 용융탄산염 연료전지는 열 병합 발전용 대형 발전 장치로 사용되었다. 용융탄산염 연료전지는 550℃ 내지 650℃의 높은 작동 온도로, 다양한 연료를 직접 사용할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 연료전지의 크기가 커짐에 따라 발열량이 크게 증가하게 되고 이에 따라 따라 용융탄산염 액체 전해질(예)Li2CO3, K2CO3, Na2CO3 등)의 소모 속도가 증가하게 되는데, 전해질 소모 증가는 연료전지 성능 저하에 큰 원인이 되고 있다. 따라서 발열을 제어하지 못하면 연료전지의 장기 운전성이 크게 저하된다. Among them, the molten carbonate fuel cell was used as a large-scale power generation device for cogeneration. The molten carbonate fuel cell has a high operating temperature of 550°C to 650°C, and has the advantage of being able to directly use various fuels. However, as the size of the fuel cell increases, the calorific value increases significantly, and accordingly, the consumption rate of the molten carbonate liquid electrolyte (for example, Li 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Na 2 CO 3, etc.) increases. Increased consumption has been a major cause of deterioration in fuel cell performance. Therefore, if heat is not controlled, the long-term operability of the fuel cell is greatly reduced.

특히 장기 운전에 있어, 발열은 큰 문제이다. 온도가 상승하는 경우, 전해질의 증발에 의한 소모 속도가 증가한다. 전해질의 증발은 내부 저항의 상승, 분극 저항의 상승 등 성능 감소를 발생시킨다. 또한, 연속적으로 전해질 감소가 발생하는 경우, 매트릭스, 연료극, 공기극의 파손이 발생할 수 있고, 가장 치명적인 상황인 연료극과 공기극 가스의 섞임이 발생하는 문제가 있다.Heat is a big problem, especially in long-term operation. When the temperature increases, the consumption rate by evaporation of the electrolyte increases. Evaporation of the electrolyte causes a decrease in performance, such as an increase in internal resistance and an increase in polarization resistance. In addition, when the electrolyte decrease occurs continuously, the matrix, the anode, and the anode may be damaged, and there is a problem that mixing of the anode and the cathode gas, which is the most fatal situation, occurs.

대한민국 등록특허 제10-0749909호Republic of Korea Registered Patent No. 10-0749909

본 발명의 하나의 목적은 연료극에 공급되는 연료 가스와 공기극에 공급되는 공기 가스의 유동방향이 서로 반대되도록 연료극 및 공기극에 가스를 공급하여 카운터 플로우(counter-flow)로 운전하는 단계 (S1), 상기 연료극과 공기극의 가스이용률 또는 온도 분포를 측정하여 공기극 가스의 유량을 조절하는 단계(S2) 및 상기 (S1)과 (S2) 단계를 반복하는 단계를 포함하는(S3), 연료전지의 공기극에 공급되는 공기 가스의 유량을 조절하는 연료전지의 운전방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to supply the gas to the anode and the cathode so that the flow directions of the fuel gas supplied to the anode and the air gas supplied to the cathode are opposite to each other to operate in a counter-flow (S1), Adjusting the flow rate of the cathode gas by measuring the gas utilization rate or temperature distribution of the anode and the cathode (S3) and repeating the steps (S1) and (S2) (S3), to the cathode of the fuel cell It is to provide a method of operating a fuel cell that controls the flow rate of the supplied air gas.

본 발명의 다른 목적은 전해질막, 전해질막의 일측면에 배치된 연료극, 전해질막을 사이에 두고 연료극의 반대편에 배치되는 공기극으로 구성된 스택, 미리 설정된 값에 따라 공기 가스의 유량 또는 유동 방향을 조절하는 제어부, 상기 제어부의 신호를 수신하여 그 신호에 따라 공기 가스의 유량을 조절하는 공기 공급부, 상기 제어부의 신호를 수신하여 공기 가스의 유동방향을 전환시켜주는 유동방향 전환장치를 포함하는, 공기 가스의 유량과 유동 방향을 조절하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is an electrolyte membrane, a fuel electrode disposed on one side of the electrolyte membrane, a stack of air electrodes disposed on the opposite side of the electrode with the electrolyte membrane interposed therebetween, and a control unit for adjusting the flow rate or flow direction of air gas according to a preset value , Air supply unit for receiving the signal of the control unit and adjusting the flow rate of the air gas according to the signal, and a flow direction switching device for receiving the signal of the control unit to switch the flow direction of the air gas, the flow rate of the air gas And to provide a fuel cell system for controlling the flow direction.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 하나의 양태로, 연료극에 공급되는 연료 가스와 공기극에 공급되는 공기 가스의 유동방향이 서로 반대되도록 연료극 및 공기극에 가스를 공급하여 카운터 플로우(counter-flow)로 운전하는 단계 (S1), 상기 연료극과 공기극의 가스이용률 또는 온도분포를 측정하여 공기극 가스의 유량을 조절하는 단계 (S2) 및 상기 (S1)과 (S2) 단계를 반복하는 단계 (S3)를 포함하는, 연료전지의 공기극에 공급되는 공기 가스의 유량을 조절하는 연료전지의 운전방법을 제공한다.In order to achieve the above object, in one aspect of the present invention, by supplying gas to the anode and the cathode so that the flow direction of the fuel gas supplied to the anode and the air gas supplied to the cathode are opposite to each other, a counter flow (counter-flow) Step (S1), measuring the gas utilization rate or temperature distribution of the anode and cathode to adjust the flow rate of the cathode gas (S2) and repeating the steps (S1) and (S2) (S3) Provided is a method of operating a fuel cell that controls the flow rate of air gas supplied to the cathode of the fuel cell.

상기 (S1) 단계에서 공기극의 공기 가스 공급방향을 연료극의 연료 가스 공급방향과 동일 방향으로 전환하여 코 플로우(co-flow)로 운전하는 단계를 더 포함할 수 있다.In the step (S1), the air gas supply direction of the cathode may be further switched to the same direction as the fuel gas supply direction of the anode to further operate in a co-flow.

또한, 상기 (S2) 단계에서, 상기 연료극 입구 또는 공기극 출구의 온도가 900 내지 1100K 온도에 도달하면서, 연료극 또는 공기극의 가스이용율이 30 내지 50% 인 경우, (S1) 단계에서 공기극으로 공급되는 공기가스의 양을 4/10 내지 6/10배로 감소시키거나, 상기 연료극 출구 또는 공기극 입구의 온도가 900 내지 1100K 온도에 도달하면서, 가스이용율이 (B) 70 내지 90% 인 경우, (S1) 단계에서 공기극으로 공급되는 공기 가스의 양을 1.5 내지 2.5배로 증가시킬 수 있다. In addition, in the step (S2), when the temperature of the anode inlet or the cathode outlet reaches a temperature of 900 to 1100K, and the gas utilization rate of the anode or the cathode is 30 to 50%, the air supplied to the cathode in the step (S1) When the amount of gas is reduced to 4/10 to 6/10 times, or when the temperature of the anode outlet or the cathode inlet reaches a temperature of 900 to 1100K, when the gas utilization rate is (B) 70 to 90%, step (S1) The amount of air gas supplied to the cathode can be increased from 1.5 to 2.5 times.

또한, 상기 코 플로우(co-flow)에서 카운터 플로우(counter-flow)로 전환하여 운전하는 단계를 더 포함할 수 있다.Also, the method may further include a step of switching from the co-flow to a counter-flow and driving.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 양태로, 전해질막, 전해질막의 일측면에 배치된 연료극, 전해질막을 사이에 두고 연료극의 반대편에 배치되는 공기극으로 구성된 스택, 미리 설정된 값에 따라 공기 가스의 유량 또는 유동 방향을 조절하는 제어부, 상기 제어부의 신호를 수신하여 그 신호에 따라 공기 가스의 유량을 조절하는 공기 공급부, 상기 제어부의 신호를 수신하여 공기 가스의 유동방향을 전환시켜주는 유동방향 전환장치를 포함하는, 공기 가스의 유량과 유동 방향을 조절하는 연료전지 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, according to another aspect of the present invention, an electrolyte membrane, a fuel electrode disposed on one side of the electrolyte membrane, a stack of air electrodes disposed on the opposite side of the fuel electrode with the electrolyte membrane interposed therebetween, the air gas is set according to a preset value. A control unit for adjusting the flow rate or the flow direction, an air supply unit for receiving the signal from the control unit and adjusting the flow rate of the air gas according to the signal, and a flow direction switching device for receiving the signal from the control unit to switch the flow direction of the air gas It provides a fuel cell system for controlling the flow rate and flow direction of the air gas, including.

본 발명에 의한 연료전지의 운전방법은 공기극에 공급되는 공기 가스의 유량을 조절하여, 스택의 국부적인 과열을 방지한다. 따라서 연료전지의 스택의 전해질이 국부적으로 소모되는 것을 방지하고, 연료전지의 장기 운전 성능을 향상시킬 수 있다.The operation method of the fuel cell according to the present invention controls the flow rate of the air gas supplied to the cathode to prevent local overheating of the stack. Therefore, it is possible to prevent the electrolyte of the stack of the fuel cell from being consumed locally and to improve the long-term operation performance of the fuel cell.

도 1는 counter-flow에서 스택의 전류밀도 및 온도분포를 나타낸 것이다
도 2는 co-flow에서 스택의 전류밀도 및 온도분포를 나타낸 것이다.
도 3는 counter-flow 운전모드에서 공기극 가스 유량 변화에 따른 스택의 온도분포를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 counter-flow 운전방법이 적용되는 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 운전방법에 적용되는 연료전지 시스템의 개략도이다.1 shows the current density and temperature distribution of the stack in counter-flow.
Figure 2 shows the current density and temperature distribution of the stack in the co-flow.
Figure 3 shows the temperature distribution of the stack according to the change in the cathode gas flow rate in the counter-flow operation mode.
4 is a schematic diagram of a fuel cell system to which a counter-flow operation method according to an embodiment of the present invention is applied.
5 is a schematic diagram of a fuel cell system applied to a driving method according to another embodiment of the present invention.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면 및 실험예를 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and experimental examples so that those skilled in the art to which the present invention pertains may easily practice. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명의 발명자는 연료전지의 공기극의 공기 가스 유량에 따라 스택의 최대온도 분포 위치가 이동하는 것을 확인하였다. 이와 관련하여 도 3은 공기극에 공급되는 공기 가스의 유량 변화에 따른 스택의 온도분포 변화를 확인한 결과이다. 연료전지의 가스 이용률이 40%일 때 스택의 최고온도 지점(1060K)은 연료극 입구 쪽에 위치하고 있으나, 공기극에 공급되는 공기 가스의 유량을 감소시킨 결과, 스택의 최고온도 분포 지점이 연료극 입구의 반대편에 위치한 공기극 입구 방향으로 이용하는 것을 확인하였다. 본 발명은 이점을 착안하여 연료전지의 최대온도 발생 지점을 이동시켜 스택의 전해질이 국부적으로 소모되는 것을 방지하고, 연료전지의 장기 운전 성능을 향상시킬 수 있는 운전방법 및 연료전지 시스템을 완성하였다.The inventor of the present invention has confirmed that the maximum temperature distribution position of the stack moves according to the air gas flow rate of the cathode of the fuel cell. In this regard, FIG. 3 is a result of confirming a change in the temperature distribution of the stack according to the change in the flow rate of the air gas supplied to the cathode. When the gas utilization rate of the fuel cell is 40%, the highest temperature point of the stack (1060K) is located at the inlet side of the anode, but as a result of reducing the flow rate of air gas supplied to the anode, the highest temperature distribution point of the stack is opposite the anode inlet. It was confirmed that it was used in the direction of the entrance of the cathode. In view of this, the present invention has completed an operation method and a fuel cell system that can prevent the electrolyte in the stack from being consumed locally by moving the maximum temperature generation point of the fuel cell and improve the long-term operation performance of the fuel cell.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 운전방법이 적용되는 연료전지 시스템의 개략도이다. 본 발명에 따른 운전방법이 적용되는 연료전지 시스템은 도 4에 도시하고 있는 것과 같이 연료 가스와 공기 가스를 이용하여 전력을 발생시키는 스택(100), 스택(100)으로 연료 가스를 공급하는 연료 공급부(200), 공기 가스를 스택(100)으로 공급하는 공기 공급부(300)와 연료극에 공급되는 연료 가스의 양 또는 유량, 및 공기극에 공급되는 공기 가스의 양 또는 유량을 조절하는 제어부(10)를 포함한다. 상기 제어부(10)는 타이머(30)가 더 포함되어 있을 수 있다. 또한 스택과 연결된 온도 검출부(20)가 더 포함할 수 있다.4 is a schematic diagram of a fuel cell system to which a driving method according to an embodiment of the present invention is applied. The fuel cell system to which the driving method according to the present invention is applied is a fuel supply unit for supplying fuel gas to the stack 100 and the stack 100 for generating electric power using fuel gas and air gas as shown in FIG. 4. (200), the air supply unit 300 for supplying the air gas to the stack 100, the amount or flow rate of the fuel gas supplied to the anode, and the control unit 10 for adjusting the amount or flow rate of the air gas supplied to the cathode Includes. The control unit 10 may further include a timer 30. In addition, the temperature detection unit 20 connected to the stack may be further included.

스택(100)은 한 개의 단위셀만으로도 구성될 수 있지만, 다수 개의 단위셀을 일렬로 적층하여 구성될 수 있다. The stack 100 may be composed of only one unit cell, but may be formed by stacking a plurality of unit cells in a row.

스택(100)은 전해질막(101)과, 전해질막(101)의 일측면에 배치된 연료극(102), 전해질막(101)을 사이에 두고 연료극의 반대쪽에 배치되는 공기극(103)으로 구성된다.The stack 100 is composed of an electrolyte membrane 101, an anode 102 disposed on one side of the electrolyte membrane 101, and an anode 103 disposed on the opposite side of the anode with the electrolyte membrane 101 interposed therebetween. .

상기 전해질막은 용융탄산염 액체 전해질을 포함할 수 있다. 구체적으로 Li2CO3, K2CO3, Na2CO3를 포함할 수 있다.The electrolyte membrane may include a molten carbonate liquid electrolyte. Specifically, it may include Li 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 .

연료극 입구(121)와 연료극 출구(122)은 연료극(102)의 양단에 형성되어 있다. 이와 유사하게 공기극(103)의 양단에 공기극 입구(131)과 공기극 출구(132)가 형성되어 있다. 공기극 입구(131)은 공기 공급부(300)과 연결되어 있다.The anode inlet 121 and the anode outlet 122 are formed at both ends of the anode 102. Similarly, the cathode inlet 131 and the cathode outlet 132 are formed at both ends of the cathode 103. The cathode inlet 131 is connected to the air supply unit 300.

상기 공기 공급부(300)는 제어부(10)와 전기적으로 연결되어 있으며, 공기극(102)으로 공급되는 공기 가스의 양 또는 유량을 제어할 수 있다.The air supply unit 300 is electrically connected to the control unit 10, it is possible to control the amount or flow rate of the air gas supplied to the air electrode 102.

상기 온도 검출부(20)는 스택(100)에 연결되어 있으며, 스택의 온도 또는 온도분포를 측정한다. 또한 제어부(10)와 연결되어 있어 스택에서 검출한 온도 또는 온도분포 정보를 제어부(10)로 송신한다.The temperature detector 20 is connected to the stack 100 and measures the temperature or temperature distribution of the stack. In addition, since it is connected to the control unit 10, the temperature or temperature distribution information detected by the stack is transmitted to the control unit 10.

상기 제어부(10)는 온도 검출부(20)에서 감지되는 스택(100)의 온도 또는 온도분포의 측정값이 미리 설정된 값에 도달하는 경우 공기극으로 공급되는 공기 가스의 양 또는 유량을 조절할 수 있다. 경우에 따라서는 제어부(10)에 구비된 타이머(30)를 이용하여 주기적으로 공기극(102)에 공급되는 공기 가스의 양 또는 유량을 감소시키거나 또는 증가시킬 수 있다.When the measured value of the temperature or temperature distribution of the stack 100 sensed by the temperature detection unit 20 reaches a preset value, the control unit 10 may adjust the amount or flow rate of air gas supplied to the air electrode. In some cases, the amount or flow rate of the air gas supplied to the air cathode 102 may be periodically reduced or increased by using the timer 30 provided in the control unit 10.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 운전방법에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, a method of operating a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명의 연로전지 운전방법은 연료극에 공급되는 연료 가스와 공기극에 공급되는 공기 가스의 유동방향이 서로 반대되도록 연료극 및 공기극에 가스를 공급하여 카운터 플로우(counter-flow)로 운전하는 단계 (S1), 상기 연료극과 공기극의 가스이용률 또는 온도 분포를 측정하여 공기극 가스의 유량을 조절하는 단계 (S2) 및 상기 (S1)과 (S2) 단계 (S3)를 반복하는 단계를 포함한다. The operation method of the fuel cell of the present invention includes the steps of supplying gas to the anode and the cathode so that the flow directions of the fuel gas supplied to the anode and the air gas supplied to the cathode are opposite to each other to operate with a counter-flow (S1). , Measuring the gas utilization rate or temperature distribution of the anode and cathode to adjust the flow rate of the cathode gas (S2) and repeating the steps (S1) and (S2) (S3).

상기 연료전지의 운전 방법은 연료전지의 공기극에 공급되는 공기 가스의 유량을 조절하는 것을 특징으로 한다. The operation method of the fuel cell is characterized by adjusting the flow rate of air gas supplied to the cathode of the fuel cell.

상기 연료극에 공급되는 연료가스는 수소, 이산화탄소 및 물을 포함한다. 상기 연료가스의 조성은 구체적으로 H2: CO2: H2O = 0.9~0.6: 0.1~0.5: 0.05~0.3, 더욱 구체적으로 H2: CO2: H2O = 0.72: 0.18: 0.1일 수 있다.The fuel gas supplied to the anode includes hydrogen, carbon dioxide, and water. The composition of the fuel gas may be specifically H 2 : CO 2 : H 2 O = 0.9 to 0.6: 0.1 to 0.5: 0.05 to 0.3, and more specifically H 2 : CO 2 : H 2 O = 0.72: 0.18: 0.1. have.

상기 연료극에 공급되는 연료 가스는 연료 공급부(200)에서 연료극 입구(121)를 지나 연료극(102)으로 공급되며 전기화학반응을 하고 남은 미반응 연료가스는 연료극 출구(122)로 배출된다.The fuel gas supplied to the anode is supplied from the fuel supply unit 200 to the anode 102 through the anode inlet 121 and undergoes an electrochemical reaction, and unreacted fuel gas remaining is discharged to the anode outlet 122.

상기 공기극에 공급되는 공기 가스는 공기 및 이산화탄소를 포함한다. 상기 공기 가스의 조성은 구체적으로 공기(Air): CO2 = 0.9~0.6:0.4~0.1, 더욱 구체적으로 공기(Air): CO2 = 0.7:0.3일 수 있다.The air gas supplied to the cathode includes air and carbon dioxide. The composition of the air gas may be specifically air: CO 2 = 0.9 to 0.6:0.4 to 0.1, and more specifically air: CO 2 = 0.7:0.3.

공기극 입구(131)는 도 4에 도시된 바와 같이 연료극 입구(121)와 반대 방향에 위치하며, 공기극 출구(132)와 연료극 출구(132) 역시 서로 반대 방향에 위치하고 있다. 공기 공급부(300)에서 공급되는 공기 가스는 공기극 입구(131)를 통해 공기극(103)으로 공급되며, 전기화학반응을 하고 남은 미반응 공기 가스는 공기극 출구(132)로 배출된다. 공기극 입구와 연료극 입구 및 공기극 출구와 연료극 입구가 서로 반대방향에 위치하고 있는바, 연료극과 공기극의 가스유동 방향은 서로 반대되는 방향(counter-flow)으로 흐른다.The cathode inlet 131 is positioned opposite to the anode inlet 121 as shown in FIG. 4, and the cathode outlet 132 and the anode outlet 132 are also located in opposite directions. The air gas supplied from the air supply unit 300 is supplied to the cathode 103 through the cathode inlet 131, and the unreacted air gas remaining after the electrochemical reaction is discharged to the cathode outlet 132. Since the cathode inlet and the anode inlet, the cathode outlet and the anode inlet are located in opposite directions, the gas flow direction of the anode and the cathode flows in counter-flow.

상기 가스이용율은 특정 전류밀도에서 연료 가스 또는 공기 가스의 이용율를 의미한다. 본 발명에 실시예에서 공기극 가스의 투입량을 조절하여 스택의 온도분포를 조절하였다. 따라서 상기 가스이용율은 구체적으로 공기극 가스이용율일 수 있다. 상기 가스의 이용율은 아래의 수식1 또는 2를 이용하여 계산할 수 있다. 일반적으로 스택은 1500A/㎡을 기준으로 40% 내지 60%의 가스 이용율로 운전한다. 연료극 가스 이용율 40%는 평균 전류밀도 1500A/㎡ 에서 전체 투입한 연료 가스 중 40%의 가스가 전기화학 반응을 통해 소모 되었다는 것을 의미한다. 따라서 20%의 연료극 가스이용율은 40%의 연료극 가스 이용율 보다 2배의 연료 가스가 더 많이 투입된다.The gas utilization rate means the utilization rate of fuel gas or air gas at a specific current density. In the embodiment of the present invention, the temperature distribution of the stack was controlled by adjusting the input amount of the cathode gas. Therefore, the gas utilization rate may be specifically, the cathode gas utilization rate. The utilization rate of the gas can be calculated using Equation 1 or 2 below. In general, the stack is operated at a gas utilization rate of 40% to 60% based on 1500A/m2. The anode gas utilization rate of 40% means that 40% of the total fuel gas injected at an average current density of 1500 A/m 2 was consumed through an electrochemical reaction. Therefore, the anode gas utilization rate of 20% is twice as much as the fuel gas utilization rate of the anode gas utilization rate of 40%.

[수식1][Equation 1]

공기극 가스이율율(%) = (특정 전류밀도에서 공기 가스 사용양 / 총 공기극 공기 가스 투입양)×100Air cathode gas rate (%) = (Amount of air gas used at a specific current density / Total air cathode air gas input) × 100

[수식2][Equation 2]

연료극 가스이율율(%) = (특정 전류밀도에서 연료 가스 사용량/ 총 연료극 연료 가스 투입양)×100Anode gas rate (%) = (Amount of fuel gas used at a specific current density/Total amount of anode gas) × 100

상기 온도분포는 연료전지 스택(100)의 각 지점에서 측정한 온도의 분포를 의미하며, 스택(100)과 연결된 온도 검출기(20)로 측정할 수 있다. 구체적으로 상기 온도분포는, 스택의 길이를 1로 하였을 때, 연료극 입구 방향의 스택의 한쪽 지점을 0으로, 연료극 출구 방향의 스택의 다른 한쪽 끝 지점을 1로 하여 0부터 1사이의 지점의 온도를 측정한 것 일 수 있다. The temperature distribution refers to the distribution of temperature measured at each point of the fuel cell stack 100, and may be measured by a temperature detector 20 connected to the stack 100. Specifically, when the length of the stack is 1, the temperature of the point between 0 and 1 is set by setting one point of the stack in the direction of the anode inlet to 0 and the other end point of the stack in the direction of the outlet of the anode as 1. It may be measured.

상기 공기극 가스의 유량 조절은 상기 가스이용율 또는 온도분포의 측정값이 기 입력된 값에 도달한 경우, 제어부(10)가 공기공급부(300)에 전기적 신호를 주어 공기극(103)에 공급하는 공기가스의 양을 증가시키거나 또는 감소시키는 것을 의미한다.When the measured value of the gas utilization rate or the temperature distribution reaches a previously input value, the flow rate of the cathode gas is adjusted, and the controller 10 gives an electrical signal to the air supply unit 300 to supply the air gas to the cathode 103 It means to increase or decrease the amount of.

상기 기 입력된 가스이용율은 30 내지 50% 또는 70 내지 90%일 수 있다.The previously input gas utilization rate may be 30 to 50% or 70 to 90%.

상기 기 입력된 온도분포는 구체적으로 900 내지 1100K의 온도지점이 전체 스택의 길이가 1일때, 연료극 입구를 기준으로 0 내지 0.49의 지점에 위치하거나, 또는 0.51 내지 1에 위치하는 온도분포일 수 있다.Specifically, the previously input temperature distribution may be a temperature distribution located at a point of 0 to 0.49, or 0.51 to 1, based on the inlet of the anode, when the temperature of 900 to 1100K is 1 in the entire stack length. .

후술하는 실험예에서 가스 이용율이 40%로 설정하여 운전하였을 때, 연료전지 스택의 최대온도 지점(1060K 내외)은 연료극 입구 쪽에 분포하는 것을 확인하였으며, 구체적으로 연료극 입구를 기준으로 0.20 내지 0.39 지점에 분포하는 것을 확인하였다. 이때 공기 가스의 공급량을 감소시켜, 가스이용율을 60%로 증가시키자, 최대온도 지점이 연료극 입구와 공기극 입구의 중간지점으로 이동하는 것을 확인하였으며, 구체적으로 연료극 입구를 기준으로 0.4 내지 0.59 지점으로 최대온도 지점이 이동함을 확인하였다. 또한, 공기 가스의 공급량을 더욱 감소시켜 가스이용율을 80%로 증가시키자, 연료극 출구 또는 공기극 입구 쪽에 스택의 최대온도 지점이 이동하는 것을 확인하였으며, 구체적으로 연료극 입구를 기준으로 0.6 내지 0.8 지점으로 최대온도 지점이 이동하는 것을 확인하였다.In the experiment example to be described later, when the gas utilization rate was set to 40% and operated, the maximum temperature point (around 1060K) of the fuel cell stack was confirmed to be distributed at the anode inlet side, and specifically, at 0.20 to 0.39 points based on the anode inlet. Distribution was confirmed. At this time, by reducing the supply amount of air gas, increasing the gas utilization rate to 60%, it was confirmed that the maximum temperature point moves to the middle point between the anode inlet and the cathode inlet, and specifically, it is the maximum of 0.4 to 0.59 points based on the anode inlet. It was confirmed that the temperature point moved. In addition, when the supply amount of air gas was further reduced to increase the gas utilization rate to 80%, it was confirmed that the maximum temperature point of the stack moved to the anode outlet or the cathode inlet side, and specifically, the maximum was 0.6 to 0.8 based on the anode inlet. It was confirmed that the temperature point moved.

즉, 공기극에 공급되는 공기가스의 양을 감소시킬수록 최대온도 지점이 반대 방향에 위치한 연료극 출구 방향으로 이동하는 것을 확인하였으며, 공기극에 공급되는 공기가스의 유량을 증가시키면 가스이용율이 감소하며, 스택의 최대온도 분포지점이 연료극 출구 방향에서 연료극 입구에 이동함을 확인하였는바, 제어부(10)가 공기공급부(300)를 조절하여 공기극(102)의 공급되는 공기가스의 양을 증가 또는 감소시켜 스택의 최대온도 분포지점을 이동시킬 수 있다.That is, as the amount of air gas supplied to the cathode was decreased, it was confirmed that the maximum temperature point moved toward the outlet of the anode located in the opposite direction. When the flow rate of the air gas supplied to the cathode was increased, the gas utilization rate decreased, and the stack It has been confirmed that the maximum temperature distribution point of the electrode moves to the anode inlet in the direction of the anode outlet, and the control unit 10 adjusts the air supply unit 300 to increase or decrease the amount of air gas supplied to the anode 102 to stack. The maximum temperature distribution point of can be moved.

상기 최대온도 분포지점의 연료극 입구 방향에서 연료극 출구 방향으로 이동은 900 내지 1100K의 온도지점이 연료극 입구 기준 0 지점에서 1 지점 방향으로 이동하는 것을 의미한다.The movement from the anode inlet direction of the maximum temperature distribution point to the anode outlet direction means that the temperature point of 900 to 1100K moves from the 0 point of the anode inlet to the 1 point.

따라서 상기 (S2) 단계에서, 상기 연료극 입구 또는 공기극 출구의 온도가 900 내지 1100K 온도에 도달하면서, 연료극 또는 공기극의 가스이용율이 30 내지 50% 인 경우, (S1) 단계에서 공기극으로 공급되는 공기가스의 양을 4/10 내지 6/10배로 감소시키거나, 상기 연료극 출구 또는 공기극 입구의 온도가 900 내지 1100K 온도에 도달하면서, 가스이용율이 (B) 70 내지 90% 인 경우, (S1) 단계에서 공기극으로 공급되는 공기 가스의 양을 1.5 내지 2.5배로 증가시키는 연료전지의 운전 방법일 수 있다. Therefore, in step (S2), when the temperature of the anode inlet or the cathode outlet reaches a temperature of 900 to 1100K, and the gas utilization rate of the anode or cathode is 30 to 50%, the air gas supplied to the cathode in step (S1) When the amount of the gas is reduced to 4/10 to 6/10 times, or when the temperature of the anode outlet or the cathode inlet reaches a temperature of 900 to 1100K, when the gas utilization rate is (B) 70 to 90%, in step (S1) It may be a method of operating a fuel cell that increases the amount of air gas supplied to the cathode to 1.5 to 2.5 times.

상기 (S1)과 (S2) 단계를 반복하여 수행된다. The steps (S1) and (S2) are repeated.

구체적으로, 온도검출부(20)가 측정한 온도분포 또는 측정된 가스이용율이 상기에 서술된 미리 설정된 값에 도달하는 경우 (S1)과 (S2) 단계를 반복하여 수행할 수 있다. Specifically, when the temperature distribution or the measured gas utilization rate measured by the temperature detection unit 20 reaches the preset value described above, steps (S1) and (S2) may be repeated.

또한, 상기 (S1)과 (S2) 단계의 반복은 제어부(10)에 구비된 타이머(30)에 기 입력된(S2) 시간마다 (S1)과 (S2) 단계를 반복하여 수행될 수 있다.In addition, the repetition of the steps (S1) and (S2) may be performed by repeating the steps (S1) and (S2) for each time (S2) previously input to the timer 30 provided in the control unit 10.

구체적으로 전체 스택의 길이 1일 때, 연료극 입구를 기준으로 0 내지 0.49 지점에서 검출된 온도가 기 입력된 온도에 도달하는 경우, 공기 공급부(300)에서 공기극(103)으로 공급하는 공기 가스의 양을 감소시켜(전체 공기 가스 양 기준으로 가스이용률 증가) 최대온도 발생지점을 연료극 입구 기준으로 0.51 내지 1 지점, 즉 연료극 출구 쪽으로 이동시키는 연료전지의 운전방법일 수 있다. 또한 공기극 입구 또는 연료극 출구 쪽의 스택 온도가 기 입력된 온도에 도달하는 경우, 공기극으로 공급되는 공기 가스의 양을 증가시켜(전체 공기가스 양 기준으로, 가스이용율 감소), 최대온도 발생지점을 연료극 입구 쪽으로 이동시키는 연료전지의 운전방법일 수 있다. Specifically, when the length of the entire stack is 1, when the temperature detected at a point 0 to 0.49 based on the anode inlet reaches a pre-entered temperature, the amount of air gas supplied from the air supply unit 300 to the cathode 103 It may be a method of operating a fuel cell by reducing (increasing the gas utilization rate based on the total amount of air gas) to move the maximum temperature generation point to 0.51 to 1 point, that is, toward the anode outlet. In addition, when the stack temperature at the cathode inlet or the anode outlet reaches a pre-entered temperature, the amount of air gas supplied to the cathode is increased (based on the total amount of air gas, the gas utilization rate decreases), and the maximum temperature generation point is set at the anode. It may be a driving method of the fuel cell moving toward the entrance.

상기 (S1)과 (S2) 단계를 반복하여 수행하면 스택내의 최대온도(900 내지 1100K) 발생지점을 연료극 입구 기준 0 내지 0.49에서 연료극 입구 기준 0.51 내지 1 지점으로 이동시키고, 반대로 연료극 입구 기준 0.51 내지 1에서 연료극 입구 기준 0 내지 0.49으로 이동시킬 수 있다. 즉 스택의 국부적인 온도상승을 감소시켜서, 국부적인 전해질 소모를 감소시킬 수 있고, 따라서 연료전지의 장기 운전 성능을 향상시킬 수 있다.If the steps (S1) and (S2) are repeatedly performed, the maximum temperature (900 to 1100K) generation point in the stack is moved from the anode entrance criterion 0 to 0.49 to the anode entrance criterion 0.51 to 1 point, and conversely, the anode entrance criterion is 0.51 to It can be moved from 1 to 0 to 0.49 based on the anode inlet. That is, by reducing the local temperature rise of the stack, it is possible to reduce the local electrolyte consumption, thus improving the long-term operation performance of the fuel cell.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 운전방법이 적용되는 연료전지 시스템의 개략도이다. 본 발명에 따른 운전방법이 적용되는 연료전지 시스템은 도 5에 도시하고 있는 것과 같이 스택(100), 스택(100)으로 연료를 공급하는 연료 공급부(200), 공기를 스택(100)으로 공급하는 공기 공급부(300)와 공기의 유량을 제어하는 제어부(10)를 포함한다. 또한 제어부(10)에 구비된 타이머(30), 스택의 온도를 검출하는 온도 검출부(20)가 구비되어 있을 수 있다.5 is a schematic diagram of a fuel cell system to which a method of operating a fuel cell according to another embodiment of the present invention is applied. The fuel cell system to which the driving method according to the present invention is applied is a stack 100, a fuel supply unit 200 for supplying fuel to the stack 100, and air to the stack 100 as shown in FIG. It includes an air supply unit 300 and a control unit 10 for controlling the flow rate of the air. In addition, a timer 30 provided in the control unit 10 and a temperature detection unit 20 for detecting the temperature of the stack may be provided.

스택(100)은 한 개의 단위셀만으로도 구성될 수 있지만, 다수 개의 단위셀을 일렬로 적층하여 구성될 수 있다. The stack 100 may be composed of only one unit cell, but may be formed by stacking a plurality of unit cells in a row.

스택(100)은 전해질막(101)과, 전해질막(101)의 일측면에 배치된 연료극(102), 전해질막(101)을 사이에 두고 연료극의 반대쪽에 배치되는 공기극(103)으로 구성된다. 연료극 입구(121)와 연료극 출구(122)은 연료극(102)의 양단에 형성되어 있다. The stack 100 is composed of an electrolyte membrane 101, an anode 102 disposed on one side of the electrolyte membrane 101, and an anode 103 disposed on the opposite side of the anode with the electrolyte membrane 101 interposed therebetween. . The anode inlet 121 and the anode outlet 122 are formed at both ends of the anode 102.

공기극(103)의 양단에는, 제1 공기 유로(141)와 제 2공기 유로(142)가 연결되어 있다. 상기 제1공기 유로(141)과 제 2공기 유로(142)는 한쪽 끝은 연결되어 있으며 연결지점에 공기 유동방향 조절 장치(145)가 설치되어 있다. 상기 유동방향 조절장치(145)는 공기공급부(300)와 공기 배출부(143)와 연결되어 있으며, 공기 공급부(300)와 연결된 제1 공기유로(141)를 차단하고, 제2 공기 유로(142)를 연결하여 공기극(103)의 공기의 유동방향을 제1 공기 유로방향에서 제2 공기 유로 방향으로 전환한다. 동시에 제2 공기 유로(142)와 공기배출부(143)의 연결을 차단하고, 제1 공기 유로(141)과 공기배출구(143)를 연결하여 공기극에서 배출되는 공기의 방향을 제2 공기 유로 방향(co-flow)에서 제1 공기 유로 방향(counter-flow)으로 전환한다.The first air flow path 141 and the second air flow path 142 are connected to both ends of the air cathode 103. The first air flow path 141 and the second air flow path 142 are connected at one end, and an air flow direction adjusting device 145 is installed at the connection point. The flow direction adjusting device 145 is connected to the air supply unit 300 and the air discharge unit 143, blocks the first air channel 141 connected to the air supply unit 300, and the second air channel 142 ) To switch the flow direction of the air of the cathode 103 from the first air flow path direction to the second air flow path direction. Simultaneously, the connection between the second air flow path 142 and the air discharge portion 143 is blocked, and the first air flow path 141 and the air discharge port 143 are connected to direct the direction of air discharged from the air electrode to the second air flow path direction. Switch from (co-flow) to the first air flow path (counter-flow).

또한, 제어부(10)는 온도센서(20)에서 감지되는 스택(100)의 온도분도가 측정값이 미리 설정된 값에 도달하는 경우, 공기공급부를 제어하여 공기극에 주입되는 공기 가스의 양을 증가 또는 감소시킬 수 있으며, 또한 공기유동 방향 조절 장치(145)를 제어하여 공기극의 공기가스 공급 및 배출 방향을 전환하여 제1 공기 유로 방향인 counter-flow에서 제2 공기유로 방향인 co-flow로 전환할 수 있다. 또한 반대로 공기극의 공기 공급방향을 제2 공기유로 방향에서 제1 공기유로 방향으로 전환하여 co-flow에서 counter-flow로 전환할 수 있다.Further, the control unit 10 increases the amount of air gas injected into the air electrode by controlling the air supply unit when the temperature fraction of the stack 100 sensed by the temperature sensor 20 reaches a preset value. It can also be reduced, and also controls the air flow direction control device 145 to switch the air gas supply and discharge direction of the air electrode to switch from counter-flow in the first air flow path direction to co-flow in the second air flow path direction. Can. In addition, on the contrary, the air supply direction of the cathode can be switched from the second air flow path direction to the first air flow path direction to convert from co-flow to counter-flow.

또한, 경우에 따라서는 제어부(10)는 구비된 타이머(30)를 이용하여 주기적으로 공기극(102)에 공급되는 되는 공기가스의 유량 또는 유동 방향을 조절할 수 있다In addition, in some cases, the control unit 10 may periodically adjust the flow rate or flow direction of the air gas supplied to the cathode 102 using the provided timer 30.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 연료전지의 운전방법은 상기 (S1) 단계에서 공기극의 공기 가스 공급방향을 연료극의 연료 가스 공급방향과 동일 방향으로 전환하여 코 플로우(co-flow)로 운전하는 단계를 더 포함한다.In another embodiment of the present invention, the method of operating the fuel cell described above is operated in a co-flow by converting the air gas supply direction of the cathode in the same direction as the fuel gas supply direction of the anode in step (S1). And further comprising a step.

또한, 상기 코 플로우(co-flow)에서 카운터 플로우(counter-flow)로 전환하여 운전하는 단계를 더 포함할 수 있다.Also, the method may further include a step of switching from the co-flow to a counter-flow and driving.

상기 연료전지의 운전방법은 제어부(10)의 신호를 수신하여 유동방향 조절장치(145)가 공기공급부(300)에서 공급되는 공기 가스의 공급방향을 제1 공기 유로(141)에서 제 2공기 유로(142)로 전환하고, 동시에 공기극의 공기 가스의 배출방향을 제2 공기 유로에서 제1 공기 유로로 전환하여 운전할 수 있다. 즉, 공기극의 공기 가스 공급방향을 연료극의 연료 가스 공급방향과 동일 방향으로 전환하여 코 플로우(co-flow)로 운전할 수 있다.The operation method of the fuel cell receives the signal from the control unit 10 and the flow direction adjusting device 145 determines the supply direction of the air gas supplied from the air supply unit 300 from the first air flow path 141 to the second air flow path. Switching to (142), and at the same time, it is possible to operate by switching the discharge direction of the air gas of the cathode from the second air flow path to the first air flow path. That is, the air gas supply direction of the cathode can be switched in the same direction as the fuel gas supply direction of the anode to operate in a co-flow.

본 발명의 후술하는 실험예에서 공기극의 공기가스 공급 방향을 counter-flow에서 co-flow로 전환하여 최대온도(1060K) 발생지점을 연료극 입구에서 연료극 출구로 이동시킬 수 있음을 확인하였다.In the experimental example to be described later, it was confirmed that the maximum temperature (1060K) generation point can be moved from the anode inlet to the anode outlet by converting the air gas supply direction of the cathode from counter-flow to co-flow.

따라서 상기 연료전지의 운전방법은 구체적으로 전체 스택의 길이 1일 때, 연료극 입구를 기준으로 0 내지 0.49 지점에서 검출된 온도가 900 내지 1100K에 도달하는 경우, 제어부(10)가 공기 유동“‡항 조절장치(145)을 조절하여 공기극(103)의 공기 가스 유동방향을 제 1공기 유로 방향인 counter-flow에서 제2 공기 유로 방향인 co-flow로 전환하여, 최대온도(900 내지 1100K)의 발생지점을 연료극 입구 기준으로 0.51 내지 1 지점, 즉 연료극 출구 방향으로 이동시키는 연료전지의 운전방법일 수 있다. 또한 공기극 입구 또는 연료극 출구 쪽의 스택 온도가 900 내지 1100K에 도달하는 경우, 공기극 가스의 유동방향을 co-flow에서 counter-flow로 전환하여, 최대온도 발생지점을 연료극 출구로 이동시키는 연료전지의 운전방법일 수 있다. Therefore, the method of operating the fuel cell is specifically, when the length of the entire stack is 1, when the temperature detected at the point 0 to 0.49 based on the inlet of the anode reaches 900 to 1100K, the control unit 10 performs air flow “‡ By adjusting the regulating device 145, the air gas flow direction of the cathode 103 is switched from the counter-flow in the first air flow path direction to the co-flow in the second air flow path direction, and the maximum temperature (900 to 1100K) is generated. It may be a driving method of a fuel cell that moves the point 0.51 to 1 point relative to the anode inlet, that is, in the direction of the anode outlet. In addition, when the stack temperature at the anode inlet or the anode outlet side reaches 900 to 1100K, the fuel cell is operated by converting the flow direction of the cathode gas from co-flow to counter-flow to move the maximum temperature generation point to the anode outlet. It can be a way.

또한 제어부(10)에 구비된 타이머(30)가 연료의 유동방향 전환시점을 계산하여 일정한 시간마다 유동방향을 전환하는 연료전지의 운전방법일 수 있다.In addition, the timer 30 provided in the control unit 10 may be a method of operating a fuel cell that calculates a point in time when the flow direction of the fuel is switched and switches the flow direction at regular intervals.

상기와 같이 공기극의 공급되는 공기의 유동방향을 반복적으로 전환함으로써 스택의 최대온도 발생지점을 연료극 입구 기준 0 내지 0.49에서 연료극 입구기준 0.51 내지 1지점으로 교차하여 이동시킬 수 있다.As described above, by repeatedly switching the flow direction of the air supplied from the cathode, the maximum temperature generation point of the stack can be shifted from 0 to 0.49 at the inlet criterion of the anode to 0.51 to 1 at the criterion of the inlet of the anode.

따라서 스택내의 국부적인 과열을 방지할 수 있어, 국부적인 전해질 소모를 방지하여 연료전지의 장기 운전 성능을 향상시킬 수 있다.Therefore, local overheating in the stack can be prevented, and local electrolyte consumption can be prevented, thereby improving long-term operation performance of the fuel cell.

실험예 1. 가스 유동 방향에 따른 연료전지(스택)의 전류밀도 분포 및 온도분포Experimental Example 1. Current density distribution and temperature distribution of fuel cell (stack) according to gas flow direction

연료전지의 공기극 가스와 연료극 가스의 유동 방향에 따른 전류밀도 분포 및 온도분포를 확인하였다.The current density distribution and temperature distribution along the flow direction of the cathode gas and anode gas of the fuel cell were confirmed.

가스 유동 방향에 따른 전류밀도 및 온도 분포를 확인하고자 해석 모델을 이용하였다. 해석 모델의 스택은 770㎚ × 330㎚ 크기를 사용하였다. 해석은 COMSOL multiphysicis v5.3을 사용하였다. 작동온도는 853K이고, 연료극의 연료가스 조성은 H2: CO2: H2O = 0.72: 0.18: 0.1을 사용하였으며, 공기극의 공기 가스 조성은 Air: CO2 = 0.7:0.3을 이용하였다. 이때 연료극 또는 공기극의 가스 이용율은 40%였다.An analytical model was used to check the current density and temperature distribution along the gas flow direction. The analytical model stack used a size of 770 nm × 330 nm. COMSOL multiphysicis v5.3 was used for the analysis. The operating temperature was 853K, and the fuel gas composition of the anode was H 2 : CO 2 : H 2 O = 0.72: 0.18: 0.1, and the air gas composition of the cathode was Air: CO 2 = 0.7:0.3. At this time, the gas utilization rate of the anode or the cathode was 40%.

도 1은 counter-flow, 도 2는 co-flow에서 해석 조건에 따른 전류밀도 및 온도분포 해석 결과이다. Counter-flow에서 전류밀도가 연료극 입구 쪽에서 높고, 온도분포 역시 연료극 입구쪽에서 높음을 확인하였다. 1 is a counter-flow, FIG. 2 is the current density and temperature distribution analysis results according to the analysis conditions in the co-flow. In counter-flow, it was confirmed that the current density was high at the anode inlet and the temperature distribution was also high at the anode inlet.

Co-flow에서는 연료극과 공기극 입구에서 높은 전류 밀도를 가지며, 온도분포는 공기극과 연료극의 출구방향에서 가장 높음을 확인하였다.In the co-flow, it was confirmed that it has a high current density at the inlet of the anode and the cathode, and the temperature distribution is the highest in the outlet direction of the anode and the anode.

실험예 2. 가스 투입량 조절을 따른 스택의 온도 분포Experimental Example 2. Temperature distribution of the stack according to the control of gas input

다음으로 가스 투입량을 조절에 따른 연료전지 스택의 온도분포 변화를 확인하였다. Next, the change in temperature distribution of the fuel cell stack according to the adjustment of the gas input was confirmed.

2.1 Co-flow에서 가스 투입량 조절2.1 Control of gas input in co-flow

Co-flow의 경우 연료극 가스와 공기극 가스의 진행방향이 동일하여 연료극 가스/공기극 가스 출구쪽에서 최대 온도가 발생함을 확인하였다. 다음으로 연료극 가스 투입량 조절에 따른 스택의 온도분포 변화를 확인하고자, 공기극 가스 이용율은 40%로 고정하고, 연료극 가스의 투입량을 조절하여 운전하였다. In the case of Co-flow, it was confirmed that the anode gas and the cathode gas have the same traveling direction, and thus the maximum temperature occurs at the outlet side of the anode gas/air cathode gas. Next, in order to confirm the change in the temperature distribution of the stack according to the adjustment of the anode gas input, the utilization rate of the anode gas was fixed at 40%, and the input of the anode gas was adjusted to operate.

Co-flow 의 경우, 연료극의 가스 이용율이 20% 인 경우 최저 온도는 가스 투입구 쪽에서 발생하고, 최고 온도는 가스 출구 쪽에서 발생하였다. 이 때 최고 온도는 932K였다. 전류밀도는 가스 투입구 쪽에서 최고 전류밀도를 보였다. 가스 이용율이 40%인 경우 마찬가지로 최저 온도는 가스 투입구 쪽에서 발생하고, 최고 온도는 가스 출구 쪽에서 발생하였다. 이 때 최고 온도는 953K 였다. 전류밀도는 중심부에서 가장 높은 값을 보였다. 가스 이용율이 80%인 경우 온도 분포는 동일하고, 최고 온도는 987K 였다. 전류밀도는 가스 출구 쪽에서 가장 높은 값을 보였다. 많은 가스가 투입되어도 전류 밀도 분포만 변화하고 온도 분포에는 큰 차이를 보이지 않았다.In the case of Co-flow, when the gas utilization rate of the anode was 20%, the lowest temperature occurred at the gas inlet side and the highest temperature occurred at the gas outlet side. The highest temperature at this time was 932K. The current density showed the highest current density at the gas inlet side. When the gas utilization rate was 40%, the lowest temperature similarly occurred at the gas inlet side and the highest temperature occurred at the gas outlet side. The highest temperature at this time was 953K. The current density showed the highest value at the center. When the gas utilization rate was 80%, the temperature distribution was the same, and the highest temperature was 987K. The current density showed the highest value at the gas outlet side. Even if a lot of gas was added, only the current density distribution changed, and there was no significant difference in temperature distribution.

즉, 연료극 가스 이용율이 낮을수록, 투입되는 연료 가스가 증가하여 냉각 효과가 증대되고, 연료극 출구에서의 온도가 987K (연료극 가스이용율 80%)에서 932K (연료극 가스이용율 20%)로 내려갔다. 이는 공기극 가스이용율을 변화시켰을 때, 역시 유사한 결과를 보였다. 따라서 co-flow에서 연료 가스 또는/및 공기 가스의 투입량의 조절은 온도분포의 변화에 큰 영향을 주지 못했다That is, the lower the anode gas utilization rate, the more the injected fuel gas increases and the cooling effect increases, and the temperature at the exit of the anode decreases from 987K (80% of anode gas utilization) to 932K (20% of anode gas utilization). This showed similar results when the cathode gas utilization rate was changed. Therefore, the adjustment of the input amount of fuel gas and/or air gas in co-flow did not significantly affect the change in temperature distribution.

2.2 Counter-flow에서 가스 조절(연료극 가스 조절)2.2 Gas control in counter-flow (anode gas control)

Counter-flow의 경우 두 가스의 흐름 방향이 다르고, 최고온도가 연료극 입구 쪽에서 발생한다. counter-flow에서 연료가스 투입량을 증가시키면 연료극 입구쪽에서 반응이 더 활발하게 발생하며, 연료극 입구 쪽에서 온도가 더 증가하였다. 따라서 연료극 가스 유량을 조절하는 것은 스택의 온도분포 조절에 큰 효과가 없음을 확인하였다. 연료극 가스만 이용율을 변화하는 경우는 다음과 같다. 연료극 가스 이용율 20% 에서는 최고 온도가 연료극 가스 투입구에서 발생하며, 이 때 최고 온도는 1073K 이다. 연료극 가스 이용율 40%에서는 마찬가지로, 최고 온도가 연료극 가스 투입구 쪽에서 발생하고, 최고 온도는 1063K 이다. 연료극 가스 이용율 60%에서는 최고 온도가 1019K 이고, 최고 온도 발생지점은 역시 연료극 가스 투입구 근처이다. 이 경우, 투입되는 연료극 가스가 증가함에 따라 온도가 미세하게 감소하지만 최고 온도가 발생하는 지점, 온도 분포의 특징은 변하지 않는다. 따라서 연료극 가스 이용율 변화는 온도 분포 변화에 큰 영향을 주지 못했다. In the case of counter-flow, the flow direction of the two gases is different, and the highest temperature occurs at the inlet side of the anode. Increasing the amount of fuel gas input in the counter-flow caused a more active reaction at the inlet side of the anode, and increased the temperature at the inlet side of the anode. Therefore, it was confirmed that adjusting the flow rate of the anode gas had no significant effect on the temperature distribution control of the stack. The case where only the anode gas changes the utilization rate is as follows. At the anode gas utilization rate of 20%, the highest temperature occurs at the anode gas inlet, where the highest temperature is 1073K. Similarly, at the anode gas utilization rate of 40%, the highest temperature occurs at the anode gas inlet side, and the highest temperature is 1063K. At 60% of anode gas utilization, the highest temperature is 1019K, and the highest temperature generation point is also near the anode gas inlet. In this case, the temperature decreases slightly as the anode gas input increases, but the point at which the highest temperature occurs and the characteristics of the temperature distribution do not change. Therefore, the change in the anode gas utilization rate did not significantly affect the temperature distribution change.

2.3 Counter-flow에서 가스 조절(공기극 가스 조절)2.3 Gas Control in Counter-flow (Air Pole Gas Control)

다음으로 counter-flow에서 공기극 가스 유량 변화에 따른 연료전지 스택의 온도분포 변화를 분석하였다. 도 2는 counter-flow의 연료전지 모델에서 공기극 가스 유량 변화(가스 이용률 변화)에 따른 스택의 온도분포를 분석한 결과이다.Next, the temperature distribution change of the fuel cell stack according to the change in the cathode gas flow rate in the counter-flow was analyzed. 2 is a result of analyzing the temperature distribution of the stack according to the change in the flow rate of the cathode gas in the counter-flow fuel cell model.

스택의 길이 1을 기준으로 연료극 입구 지점을 0으로 연료극 출구 지점을 1로 설정하였다.The anode inlet point was set to 0 and the anode outlet point was set to 1 based on the length of the stack.

가스 이용율을 40%로 설정하여 운전할 때, 최대온도(1060K)지점이 0.2 내지 0.39 사이에 위치하였다. 이때, 가스 이용율을 60%로 전환하면, 최대온도 지점이 0.40 내지 0.59에 위치하고, 가스 이용율을 80%로 전환하면 최대온도 지점이 0.6 내지 0.8 지점에 위치하는 것을 확인하였다. 즉 가스의 이용율이 40%에서 80%(공기극 가스의 유량을 1/2로 감소시켜 가스이용율을 80% 증가시킴)로 증가할수록, 스택의 최대온도 발생지점이 연료극 가스의 입구 방향에서 반대편에 위치한 연료극 출구방향으로 이동하는 것을 확인하였다. When the gas utilization rate was set to 40% and operated, the maximum temperature (1060K) point was located between 0.2 and 0.39. At this time, when the gas utilization rate was converted to 60%, the maximum temperature point was located at 0.40 to 0.59, and when the gas utilization rate was converted to 80%, it was confirmed that the maximum temperature point was located at 0.6 to 0.8 point. That is, as the utilization rate of the gas increases from 40% to 80% (reducing the flow rate of the air cathode gas to 1/2 to increase the gas utilization rate by 80%), the maximum temperature generation point of the stack is located on the opposite side of the inlet direction of the anode gas. It was confirmed to move in the direction of the exit of the anode.

공기극 가스는 열 용량이 커 냉각효과가 크며, 따라서 공기극 가스의 투입량을 감소시키는 경우, 공기극 가스에 의한 냉각효과가 감소하여, 최대 온도 발생지점이 공기극 가스 입구 쪽으로 이동하는 것으로 확인되었다. 따라서 counter-flow에서 공기극에 가스 유량을 조절함으로써 스택의 온도분포를 제어할 수 있다. 또한 공기극 가스의 유량을 주기적으로 변경시켜 최대온도 발생지점을 변경해 줌으로서, 스택 내부의 일정부분에서 발열이 집중되는 것을 방지하여 국부적인 전해질 감소를 저하시키고 전해질 고갈을 균일하게 하여 연료전지의 수명 안정성을 향상시킬 수 있다. 이는 전류밀도를 조절함으로써도 가능하다.It has been confirmed that the cathode gas has a large heat capacity and has a large cooling effect, and thus, when the input amount of the cathode gas is decreased, the cooling effect by the cathode gas is reduced, so that the maximum temperature generation point moves toward the cathode gas inlet. Therefore, the temperature distribution of the stack can be controlled by adjusting the gas flow rate to the cathode in the counter-flow. In addition, by periodically changing the flow rate of the cathode gas to change the maximum temperature generation point, it prevents heat generation from being concentrated in a certain part of the stack, thereby reducing local electrolyte reduction and uniformity of electrolyte depletion, thereby ensuring the stability of the life of the fuel cell. Improve it. This is also possible by adjusting the current density.

실험예 3. 가스 방향 조절을 따른 스택의 온도 분포Experimental Example 3. Temperature distribution of the stack according to gas direction control

다음으로 counter-flow에서 co-flow로 가스 유동 방향 전환에 따른 연료전지 스택의 온도분포 변화를 분석하였다. 전체 스택의 길이 1을 기준으로 연료극 입구방향의 끝을 0로 보았으며, 연료극 출구방향을 1으로 설정하였다.Next, the temperature distribution change of the fuel cell stack according to the change of gas flow direction from counter-flow to co-flow was analyzed. The end of the anode inlet direction was viewed as 0 based on the length of the entire stack, and the anode outlet direction was set to 1.

실험예1에서 연료극 가스의 유동방향을 전환하는 경우, counter-flow에서 연료극 입구쪽에 최대 온도가 분포하며, co-flow에서는 연료극 출구쪽에 최대온도가 분포하는 것을 확인하였는바, 연료극 가스의 유동방향의 전환은 최대온도 지점을 이동시키는데 큰 효과가 없음을 확인하였다. 따라서 공기극의 가스의 유동방향을 조절하였다.When switching the flow direction of the anode gas in Experimental Example 1, it was confirmed that the maximum temperature is distributed at the inlet side of the anode in the counter-flow, and the maximum temperature is distributed at the outlet side of the anode in the co-flow. It was confirmed that the conversion had no significant effect on moving the maximum temperature point. Therefore, the flow direction of the gas in the cathode was adjusted.

가스 이용율을 40%으로 연료전지를 운전하였을 때 counter-flow 에서 최대온도(1060K)지점이 0 내지 0.49 사이에 위치하였으며, 공기극 가스의 유동방향을 연료극 가스의 유동방향과 동일한 co-flow로 전환하였을 때 최대온도 지점이 0.51 내지 1 지점으로 이동하는 것을 확인하였다. 따라서 counter-flow에서 co-flow으로 또는 co-flow에서 counter-flow으로 공기극 가스의 유동방향을 전환하여 스택의 최대온도 발생지점을 이동시킬 수 있다.When the fuel cell was operated with a gas utilization rate of 40%, the maximum temperature (1060K) point on the counter-flow was between 0 and 0.49, and the flow direction of the cathode gas was converted to the same co-flow as the flow direction of the anode gas. When the maximum temperature point was confirmed to move to 0.51 to 1 point. Therefore, the maximum temperature generation point of the stack can be moved by switching the flow direction of the cathode gas from counter-flow to co-flow or from co-flow to counter-flow.

10 제어부
20 온도 검출부
30 타이머
100 스택
101 전해질막
102 연료극
103 공기극
121 연료극 입구
122 연료극 출구
131 공기극 입구
132 공기극 출구
141 제1 공기유로
142 제2 공기유로
143 공기 배출구
145 유동방향전환 장치
200 연료공급부
300 공기공급부10 Control
20 temperature detector
30 timer
100 stack
101 electrolyte membrane
102 anode
103 Air cathode
121 anode entrance
122 anode exit
131 Air cathode inlet
132 air outlet
141 First air passage
142 Second air passage
143 Air outlet
145 flow direction changer
200 fuel supply
300 air supply

Claims (5)

연료극에 공급되는 연료 가스와 공기극에 공급되는 공기 가스의 유동방향이 서로 반대되도록 연료극 및 공기극에 가스를 공급하여 카운터 플로우(counter?flow)로 운전하는 단계(S1);
상기 연료극과 공기극의 가스이용률 및 스택의 온도분포를 측정하여 공기극 가스의 유량을 조절하는 단계(S2); 및
상기 (S1)과 (S2) 단계를 반복하는 단계(S3)를 포함하며,
상기 (S2) 단계에서, 상기 연료극 입구 또는 공기극 출구의 온도가 900 내지
1100K 온도에 도달하면서, 공기극의 가스이용율이 30 내지 50%인 경우, (S1) 단계에서 공기극으로 공급되는 공기 가스의 양을 4/10 내지 6/10배로 감소시켜, 연료극 출구 또는 공기극 입구쪽으로 최대온도 분포 지점을 이동시키거나,
상기 연료극 출구 또는 공기극 입구의 온도가 900 내지 1100K 온도에 도달하면서, 공기극의 가스이용율이 (B) 70 내지 90%인 경우, (S1) 단계에서 공기극으로 공급되는 공기 가스의 양을 1.5 내지 2.5배로 증가시켜 연료극 입구 또는 공기극 출구쪽으로 최대온도 분포 지점을 이동시키는 것인,
연료전지의 공기극에 공급되는 공기 가스의 유량을 조절하는 연료전지의 운전방법. Supplying gas to the anode and the cathode so that the flow directions of the fuel gas supplied to the anode and the air gas supplied to the cathode are opposite to each other to operate in a counter flow (S1);
Adjusting the flow rate of the cathode gas by measuring the gas utilization rate of the anode and the cathode and the temperature distribution of the stack (S2); And
It includes the steps (S3) of repeating the steps (S1) and (S2),
In the step (S2), the temperature of the anode inlet or the cathode outlet is 900 to
While reaching the temperature of 1100K, when the gas utilization rate of the cathode is 30 to 50%, the amount of air gas supplied to the cathode in step (S1) is reduced to 4/10 to 6/10 times, and the maximum toward the anode outlet or the cathode inlet. Move the temperature distribution point,
When the temperature of the anode outlet or the cathode inlet reaches a temperature of 900 to 1100K, and the gas utilization rate of the cathode is (B) 70 to 90%, the amount of air gas supplied to the cathode in step (S1) is 1.5 to 2.5 times. Increase to move the maximum temperature distribution point toward the anode inlet or the cathode outlet,
A method of operating a fuel cell that controls the flow rate of air gas supplied to an anode of a fuel cell. 제 1항에 있어서,
상기 (S1) 단계에서 공기극의 공기 가스 공급방향을 연료극의 연료 가스 공급방향과 동일 방향으로 전환하여 코 플로우(co-flow)로 운전하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.According to claim 1,
In the step (S1), the air gas supply direction of the cathode is switched in the same direction as the fuel gas supply direction of the anode to operate in a co-flow.
The method of operating a fuel cell further comprising a. 삭제delete 제2항에 있어서,
상기 코 플로우(co-flow)에서 카운터 플로우(counter-flow)로 전환하여 운전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.According to claim 2,
The method of operating a fuel cell further comprising the step of operating by switching from a co-flow to a counter-flow. 삭제delete
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