KR102147918B1

KR102147918B1 - 연료전지시스템의 즉시운전 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR102147918B1
Application number: KR1020190044704A
Authority: KR
Inventors: 김종임
Original assignee: (주)엘케이에너지; 에스퓨얼셀(주)
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2020-08-26

Abstract

본 발명은 연료전지시스템의 즉시운전 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것으로, 연료전지시스템의 외부에 위치시킨 1개 또는 복수개의 수소탱크에서 복수개의 연료전지시스템의 연료전지스텍에 수소를 공급하여 즉시 발전이 가능하게 하여 연료(도시가스 등)를 개질하는데 필요한 웜-업 시간이 불필요하여, 정격출력까지 즉시 도달할 수 있다.

Description

연료전지시스템의 즉시운전 장치 및 그 방법{Apparatus and method for immediate operation of fuel cell system}

본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 특히 연료전지시스템의 외부에 위치시킨 1개 또는 복수개의 수소탱크에서 복수개의 연료전지시스템의 연료전지스텍에 수소를 공급하여 즉시 발전이 가능하게 하여 연료(도시가스 등)를 개질하는데 필요한 웜-업 시간이 불필요하여, 정격출력까지 즉시 도달하기에 적당하도록 한 연료전지시스템의 즉시운전 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지시스템은 연료전지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 장치로서, 전기화학반응을 이용하여 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 이러한 연료전지시스템은 연료를 원하는 상태의 수소가스로 개질하여 스텍(발전부)에 보내고, 대기중의 산소를 유입시켜 전기화학반응에 의해 전력과 배열을 생산한다.

그래서 연료전지시스템은 도시가스 등의 연료를 수소로 개질하는 개질부, 개질된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 스텍(발전부), 개질 과정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 산소를 개질부에 공급 및 스텍부에 필요한 산소를 공급하는 공기공급장치, 개질부에서 발생한 가스를 외기로 배기하는 배기장치, 개질부의 수증기 개질 반응 과정에 공급하는 물과 스텍부의 일정 온도로 유지시키는 냉각수를 저장하는 물탱크, 연료전지스텍에서 생산된 전력을 교류로 변환하는 인버터, 시스템의 기동, 정지, 발전상태 유지 동작, 제어기능을 수행하는 다수의 주변장치(Balance of Plants) 등으로 구성된다.

그러나 종래의 연료전지시스템은 도시가스 등의 연료를 수소로 개질하기 위하여 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. 일반적으로 연료전지시스템의 개질방식은 수증기 개질방식을 적용하며 CO 변성기의 촉매반응온도(200~280℃)의 조건을 충족되어야 하기 때문에, 웜-업 시간이 1~3시간으로 매우 길어 연료전지시스템을 구동시킨 후 바로 원하는 전기 에너지를 획득할 수 없는 불편함이 존재한다.

종래기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1913809호의 "연료전지시스템 및 그 구동 방법"이 개시된 바 있다.

도 1은 이러한 종래 연료전지시스템의 개념도이다.

여기서 참조번호 10은 연료전지시스템, 20은 유량계 A, 22는 승압기, 24는 연료밸브, 30은 개질부(연료변환기), 32는 공기필터, 34는 버너 공기 공급부, 35은 캐소드 공기 공급부, 40은 수소탱크, 42는 유량계 B, 44는 압축기, 46은 정압조절밸브, 48은 릴리프밸브, 50은 스텍부(발전부), 60은 전원공급장치, 62는 제어장치(BOP), 64는 배터리(64), 70은 인버터, V/V-1 ~ V/V-5는 제1 내지 제5 밸브(Valve, 이하 'V/V'라고 사용함)이다.

그래서 선행기술(등록특허 10-1913809호)에 따르면, 연료전지시스템(10)을 구동시킨 후 바로 원하는 전기 에너지를 획득할 수 없는 불편을 해결하기 위해서 다음과 같이 구성한다.

첫째, 개질부(30)에서 개질가스(수소)를 스텍부(50)에 유입시키는 통로에 제2 밸브(V/V-2)를 포함한 통로와 스텍부(50)에서 산소와 반응하여 발전한 후 잉여수소가스를 개질부(30)로 전달하는 바이패스관에 제5 밸브(V/V-5)를 포함한 통로를 설치하며, 개질가스가 스텍부(50)로 유입하는 통로와 바이패스관을 연결하는 통로에 제1 밸브(V/V-1)를 설치하였다.

둘째, 개질부(30)에서 개질가스를 스텍부(50)로 유입시키는 통로 사이에 배관을 분기시켜 제3 밸브(V/V-3) 및 유량계 B(42), 가스를 승압시키는 압축기(44)를 차례로 설치 후 릴리프밸브(48)를 구비한 수소탱크(40)를 설치하였으며, 개질부(30)에서 개질가스가 스텍(50)으로 유입되는 통로에 설치된 제2 밸브(V/V-2)와 스텍(50) 사이를 분기시켜 수소탱크(40)와 연결하는 정압조절밸브(46)와 제4 밸브(V/V-4)를 설치하였다.

셋째, 연료전지시스템(10)의 개질부(30)로 연료를 공급하는 가스배관에는 가스의 유량계A(20)와 연료의 승압기(22)를 설치하였다.

넷째, 개질부(30)에서 스텍(50)으로 공급 및 바이패스관에 설치된 제1, 제2, 제5 밸브(V/V-1, V/V-2, V/V-5), 개질가스를 수소탱크(40)를 거쳐 스텍(50)으로 공급하는 연결통로에 설치된 제3, 제4 밸브(V/V-3, V/V-4), 정압조절밸브(46) 및 유량계B(42), 수소탱크(40)에 부착된 릴리프밸브(48), 연료를 개질부(30)로 공급하는 가스관에 부착된 유량계A(20)와 연료의 승압기(22)를 제어하는 제어장치(62)로 구성되어 있다.

이러한 종래기술에 의한 연료전지시스템(10)의 운전방법은 다음과 같다.

첫째, 개질부(30)에서 개질 반응이 시작되면 제1 밸브(V/V-1)를 개방하여 불완전 조성 개질가스(수소)를 개질부(30) 쪽으로 배출하고, 개질부(30)에서 완전 조성 개질가스(수소)가 생성되면 제2 밸브(V/V-2)와 제5 밸브(V/V-5)를 개방하여 연료전지 스텍(50)으로 완전 조성 개질가스(수소)를 유입시켜 연료 전지 스텍(50)을 동작시킨다.

둘째, 연료전지 스텍(50)으로 완전 조성 개질가스(수소)가 공급되면, 공급 가스관에 설치된 연료의 승압기(22)를 동작시켜 연료가스의 양을 증가토록 하여 개질가스(수소)량을 증가시키고, 제3 밸브(V/V-3)를 개방하여 완전 조성 개질가스를 압축기(44)로 가압하여 수소저장탱크(40)에 저장하며, 수소저장탱크(40)에 설치된 압력계를 이용하여 설정압력 이내로 저장한다.

셋째, 수소저장탱크(40)에 저장된 개질가스(수소)가 설정압력이 되면, 연료전지시스템(10)의 개질부(30)로 연료를 공급하는 연료 승압기(22)의 동작을 제어하여 개질부(30)로 유입되는 연료의 양을 감소시킨다.

넷째, 운전 모드가 즉시 운전 모드이면, 수소저장탱크(40)와 스텍(50)의 연결 통로에 설치된 제4 밸브(V/V-4)를 개방하고, 정압조절밸브(46)를 거쳐 스텍(50)에 필요한 압력으로 수소저장탱크(40)에 저장된 완전 조성 개질가스(수소)를 연료전지 스텍(50)으로 유입되도록 하여 발전한다.

다섯째, 개질부(30) 쪽으로 유입되는 연료의 양을 측정하는 유량계A(20)를 통과하여 개질부(30) 쪽으로 유입되는 연료의 압력을 조정하는 연료 승압기(22)를 포함하여 내부 압력이 설정 압력 미만이면 유량계A(20)에 의해 판정된 연료의 양이 설정량에 도달하지 않는 경우, 연료 승압기(22)를 제어하여 개질부(30)로 유입되는 연료의 양을 증가시키고, 설정량은 수소저장탱크(40)에 저장되는 완전 조성 개질가스(수소)의 압축 압력과 수소저장탱크의 용량에 따라 결정한다.

그러나 이러한 종래기술은 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 1대 이상의 연료전지시스템(10) 케이스 내부에 연료전지시스템 발전에 필수적인 구성품 외에 유량계B, 개질가스(수소)압축기, 수소저장탱크, 정압조절밸브를 구성함으로써 연료전지시스템의 외형 크기가 켜져야 하고 또한 각 연료전지시스템 모두에 구성하여야 함으로 제조원가가 상승하게 된다.

둘째, 연료전지시스템의 내부에 개질가스(수소)압축기, 수소저장탱크를 구비함으로 수소저장탱크의 크기가 연료전지시스템 전체 크기의 약 1/2로 여러대를 설치하는 경우에는 설치 면적이 많이 필요하게 된다.

셋째, 각 연료전지시스템에는 연료전지 스텍으로 완전 조성 개질가스(수소)가 공급되면, 공급가스관에 설치된 연료승압기를 동작시켜 연료가스의 량을 증가토록 하여 개질가스(수소) 양을 증가시키고, 제3 밸브를 개방하여 완전 조성 개질가스를 압축기로 가압하여 수소저장탱크에 저장 및 스텍의 발전을 동시에 하는 방법으로 연료전지시스템의 용량 및 스텍의 정상 규격보다 초과량을 개질하여야 하므로 초과량만큼 개질부의 용량이 커져야 하며, 개질가스의 발생량 및 압력과 압축기의 흡입량 및 흡입압력의 차이로 인하여 개질기의 손상을 줄 수 있다.

넷째, 수소저장탱크에 수소가 저장되어 있지 않는 경우는 연료전지시스템의 용량 및 스텍의 정상 규격보다 초과량을 개질 하여야 함으로 개질부의 용량이 커져야 하므로 개질에 필요한 온도 조건을 만들려면 더욱 많은 웜-업 시간(warm-up time)이 필요하게 되는 문제점이 있다.

KR

10-1913809

B1

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지시스템의 외부에 위치시킨 1개 또는 복수개의 수소탱크에서 복수개의 연료전지시스템의 연료전지스텍에 수소를 공급하여 즉시 발전이 가능하게 하여 연료(도시가스 등)를 개질하는데 필요한 웜-업 시간이 불필요하여, 정격출력까지 즉시 도달할 수 있는 연료전지시스템의 즉시운전 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지시스템의 즉시운전 장치의 개념도이다.

이에 도시된 바와 같이, 복수개로 이루어진 연료전지시스템(100)의 케이스 내부에 위치하여 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지시스템(100)으로 연료를 수소로 개질하는 개질부(110)와; 상기 개질부(114)에서 개질된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 스텍부(120)와; 상기 개질부(110)의 개질 과정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 산소를 상기 개질부(110)에 공급하고 상기 스텍부(120)에서 필요한 산소를 공급하는 공기공급장치(116)와; 상기 개질부(110)에서 발생한 가스를 외기로 배기하는 배기장치(118)와; 상기 연료전지시스템(100)의 스텍부(120)에서 생산된 전력을 교류로 변환하는 인버터(130)와; 상기 개질부(110)의 수증기 개질반응과정에 공급하는 물과 상기 스텍부(120)의 온도를 일정 온도로 유지시키는 냉각수를 저장하는 물탱크(140)와; 상기 연료전지시스템(100)의 기동, 정지, 발전상태 유지 동작, 제어기능을 수행하는 제어부 및 주변장치(도면상에 미도시);를 포함하여 구성되되,

복수개로 이루어진 상기 연료전지 시스템(100)의 케이스 내부에는 상기 개질부(110)에 도시가스와 같은 연료를 유량계A(112)를 통과해 공급하는 연료밸브(114), 상기 개질부(110)에서의 불완전 조성가스를 배출하는 솔레노이드 제1 밸브(V/V-1), 상기 개질부(110)와 스텍부(120)를 연결하는 통로에 위치하여 저압수소탱크(200) 쪽으로 연결 통로를 우회 할 수 있도록 하는 우회분기관(119), 상기 우회분기관(119)의 사이에 구비된 제2 밸브(V/V-2), 개질된 가스(수소)를 스텍부(120)에 공급하여 산소와의 반응으로 발전시킨 후 잉여가스(수소)를 회수하는 통로에 설치된 제3 밸브(V/V-3), 상기 스텍부(120)에 개질가스(수소)를 공급하는 통로와 스텍에서 발전 후 생긴 잉여가스(수소)를 회수하는 통로를 연결하는 사이에 설치된 제4 밸브(V/V-4), 상기 공기공급장치(116)의 공기를 상기 스텍부(120)로 공급하는 제9 밸브(V/V-9), 상기 물탱크(140)의 냉각수가 상기 스텍부(120)로 공급되도록 하는 펌프(P-1)를 구비하며,

상기 연료전지시스템(100)의 케이스 외부에는 개질가스(수소)를 스텍부(120)로 연결하는 통로에서 우회분기관(119)이 개질가스(수소)를 저장하는 저압수소탱크(200)로 공급하는 연결부에 설치된 제5 내지 제7 밸브(V/V-5 ~ V/V-7), 상기 저압수소탱크(200)에서 고압수소탱크(300)로 개질가스를 이동시키는 연결부에 설치된 제8 밸브 및 제9 밸브(V/V-8, V/V-9), 상기 저압수소탱크(200)에서 저장된 개질가스를 고압수소탱크(300)에 저장하는 압축기(220), 상기 저압 및 고압수소탱크(200, 300)의 저장량을 측정하는 압력계(도면상에 미도시), 상기 고압수소탱크(300)에서 압축하여 저장한 수소를 상기 연료전지시스템(100) 내부의 상기 스텍부(120)에 공급하는 연결 통로 및 통로를 개폐를 제어하는 제10 밸브(V/V-10), 저장된 개질가스를 스텍부(120)로 공급하는 연결부에 설치된 제11 밸브(V/V-11), 상기 고압수소탱크(300)에서 압축된 수소의 압력을 조정하여 상기 연료전지시스템(100)의 스텍부(120)에 필요한 압력으로 조정하는 정압조정밸브(230)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는 상기 연료전지시스템(100)의 발전 시작과 정지에 따라 상기 스텍부(120)의 발전, 전력변환장치인 상기 인버터(130)의 정지 및 상기 연료전지시스템(100)의 발전 정지 후에도 상기 저압 및 고압수소탱크(200, 300)에 저장된 수소 잔여량을 판단하여 상기 개질부(110)를 운전하여 생산된 수소를 상기 저압 및 고압수소탱크(200, 300)에 저장할 수 있도록 제1 내지 제13 밸브(V/V-1 ~ V/V-13)를 개폐하고, 상기 저압수소탱크(200) 및 상기 고압수소탱크(300)의 수소저장용량이 설정용량 일 때까지 압축기(220)를 운전하여 설정용량에 도달하면 상기 개질부(110)의 운전 정지 및 제1 내지 제13 밸브(V/V-1 ~ V/V-13)의 닫힘을 제어하고, 상기 연료전지시스템(100)이 즉시운전 모드일 때 상기 저압 및 고압수소탱크(200, 300)에 저장된 수소가 스텍부(120)로 즉시 공급될 수 있도록 제1 내지 제13 밸브(V/V-1 ~ V/V-13)의 개폐 제어를 수행하며, 상기 개질부(110)의 완전 조성 개질가스(수소)가 생산되면 상기 저압 및 고압수소탱크(200, 300)에 수소를 차단하는 밸브를 제어하는 것을 특징으로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지시스템의 즉시운전 방법을 보인 흐름도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 연료전지시스템(100)의 운전을 시작하면 유입되는 연료(ex, 도시가스 등)에 대한 개질부(110)에서 개질 반응이 시작되면, 제1 밸브(V/V-1)를 개방하여 상기 개질부(110)에 의해 생성된 불완전 조성 개질 가스를 배출하는 단계와 상기 개질부(110)에서 불완전 조성 개질 가스의 배출 이후 완전 조성 개질 가스를 배출하는 제1 단계(ST1~ST12)와;

상기 연료전지시스템(100)의 운전을 시작하면 제1 단계 웜-업시간(ex, 1~3시간) 동안 즉시 발전을 위하여, 상기 스텍부(120)로 상기 물탱크(140)의 냉각수를 공급하도록 하는 펌프(P-1)는 기동하고, 스텍부(120)로 상기 공기공급장치(116)의 공기를 스텍부(120)로 공급하는 제12 밸브(V/V-12)는 개방하며, 스텍부(120)와 저압수소탱크(200)에 연결하는 통로에 설치된 제5 밸브(V/V-5)와 제6 내지 제7 밸브(V/V-6 ~ V/V-7)는 개방하고, 상기 스텍부(120)의 발전 잉여 수소를 바이패스 시키는 통로의 제4 밸브(V/V-4)는 개방하여, 상기 저압수소탱크(200)에 저장된 수소를 공급하여, 발전된 DC 전력을 전력변환장치인 인버터(130)로 AC전력으로 변환하여 즉시 발전 할 수 있도록 하는 제2 단계(ST13 ~ ST15)와;

상기 제2 단계에서 저압수소탱크(200)에 저장된 수소를 스텍부(120)로 공급하여 저압수소탱크의 압력이 운전압력범위(ex, 통상 1~3bar)이하 이면, 상기 고압수소탱크(300)에 저장된 개질 수소를 제10 내지 제11 밸브(V/V-10 ~ V/V-11)와 정압조정밸브(230)를 개방하여, 상기 고압수소탱크(300)에 저장된 개질 수소의 압력을 상기 스텍부(120)의 운전압력범위(ex, 통상 1~3bar)로 조정하여 상기 스텍부(120)로 공급하여 발전하며, 상기 고압수소탱크(300)에 저장된 수소를 상기 개질부(110)에서 완전 조성 개질 가스 배출 웜-업시간(ex, 1~3시간) 동안 발전을 할 수 있도록 하는 제3 단계(ST16 ~ ST19)와;

상기 연료전지시스템(100)의 유입되는 연료에 대한 개질 반응이 시작되어 생성된 불완전 조성 개질 가스를 웜-업시간(ex, 1~3시간) 동안 배출 이후 완전 조성 개질 가스가 배출되면, 상기 저압 및 고압수소탱크(200, 300)와 상기 스텍부(120)를 연결하는 통로에 부착된 제5 밸브 내지 제11 밸브(V/V-5 ~ V/V-11)와 제4 밸브(V/V-4)는 닫고, 제2 밸브(V/V-2)와 제3 밸브(V/V-3)는 개방하여 상기 개질부(110)에 의해 생성된 완전 조성 개질 가스를 상기 연료전지시스템(100)의 스텍부(120)로 전달하여 정상적(정격출력)으로 발전하는 제4 단계(ST6 ~ ST12)와;

상기 연료전지시스템(100)을 정지하면 전력변환장치인 인버터(130), 스텍부(120)로 상기 물탱크(140)의 냉각수를 공급하도록 하는 펌프(P-1)는 정지하고, 스텍부(120)로 상기 공기공급장치(116)의 공기를 스텍부(120)로 공급하는 제12 밸브(V/V-12)는 닫고, 고압수소탱크(300)와 스텍부(120)의 연결하는 통로에 설치된 제10 내지 제11 밸브(V/V-10 ~ V/V-11)를 닫아 스텍부(120)의 발전을 정지하고, 개질부(110)와 저압수소탱크(200)에 연결하는 통로에 설치된 제5 내지 제7 밸브(V/V-5 ~ V/V-7)는 개방하고 연료가스는 계속하여 상기 개질부(110)에 공급하여 개질가스(수소)를 생산하여 상기 저압수소탱크(200)에 차례로 저장하는 제5 단계(ST20 ~ ST24)와;

상기 제5 단계 후 상기 저압수소탱크(200) 1대에 부착된 압력이 설정압력이 되면 상기 저압수소탱크(200)와 상기 고압수소탱크(300)를 연결하는 전단에 설치된 압축기(220)를 기동하여 상기 고압수소탱크(300)에 수소를 저장을 시작하며, 이때 2대의 저압수소탱크(200)는 설정압력에 따라 제6 밸브(V/V-6)와 제7 밸브는 교번으로 개폐하며, 또한 제8 밸브(V/V-8)와 제9 밸브(V/V-9)는 교번으로 개폐하여 고압수소탱크(300)에 저장하며, 고압수소탱크(300)의 설정된 압력이 되면 상기 압축기(220)의 기동은 중지되며, 또한 연료(ex, 도시가스 등)의 공급도 중지되며 모든 밸브류는 닫아 상기 연료전지시스템(100)을 초기화시키는 제6 단계(ST25 ~ ST28);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 연료전지시스템(100)의 운전을 시작하면 제13 밸브(V/V-13)개방하여 유입되는 연료(ex, 도시가스 등)에 대한 개질부(110)에서 개질 반응이 시작되면, 제1 밸브(V/V-1)를 개방하여 상기 개질부(110)에 의해 생성된 불완전 조성 개질 가스를 배출하는 제1 단계(ST1~ ST5)와;

상기 개질부(110)에서 불완전 조성 개질 가스의 배출 이후 완전 조성 개질 가스가 배출되면, 상기 제1 밸브(V/V-1)를 닫고, 제2 밸브(V/V-2)와 제3 밸브(V/V-3)를 개방하여 상기 개질부(110)에 의해 생성된 완전 조성 개질 가스를 상기 연료전지시스템(100)의 스텍부(120)로 전달하여 정상적(정격출력)으로 발전하는 제2 단계(ST6 ~ ST12)와;

상기 연료전지시스템(100)을 정지하면 전력변환장치인 인버터(130), 스텍부(120)로 상기 물탱크(140)의 냉각수를 공급하도록 하는 펌프(P-1)는 정지하고, 스텍부(120)로 상기 공기공급장치(116)의 공기를 스텍부(120)로 공급하는 제12 밸브(V/V-12)는 닫고, 고압수소탱크(300)와 스텍부(120)의 연결하는 통로에 설치된 제10 밸브(V/V-10)와 제11 밸브(V/V-11)를 닫아 스텍부(120)의 발전을 정지하고, 개질부(110)와 저압수소탱크(200)에 연결하는 통로에 설치된 제5 내지 제7 밸브(V/V-5 ~ V/V-7)는 개방하고 연료가스는 계속하여 상기 개질부(110)에 공급하여 개질가스(수소)를 생산하여 상기 저압수소탱크(200)에 차례로 저장하는 제3 단계(ST20 ~ ST24)와;

상기 제3 단계 후 상기 저압수소탱크(200) 1대에 부착된 압력이 설정압력이 되면 상기 저압수소탱크(200)와 상기 고압수소탱크(300)를 연결하는 전단에 설치된 압축기(220)를 기동하여 상기 고압수소탱크(300)에 수소를 저장을 시작하며, 이때 2대의 저압수소탱크(200)는 설정압력에 따라 제6 밸브(V/V-6)와 제7 밸브는 교번으로 개폐하며, 또한 제8 밸브(V/V-8)와 제9 밸브(V/V-9)는 교번으로 개폐하여 고압수소탱크(300)에 저장하며, 고압수소탱크(300)의 설정된 압력이 되면 상기 압축기(220)의 기동은 중지되며, 또한 연료(ex, 도시가스 등)의 공급도 중지되며 모든 밸브류는 닫아 상기 연료전지시스템(100)을 초기화시키는 제4 단계(ST25 ~ ST28);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

정부의 신·재생에너지보급 촉진 및 수소경제육성 정책에 따라, 연료전지시스템을 건물에 용량의 증가로 많은 대수의 설치하여야 하는데, 연료전지시스템의 웜-업시간이 길어 사용자가 필요한 시간에만 발전하지 않고, 건물에 전력 및 열(온수)의 부하가 없는 경우에도 발전을 하게 되어 경제성이 떨어져 운전을 않는 상황이 발생하고 있다.

따라서 본 발명에 의한 연료전지시스템의 즉시운전 장치 및 그 방법은 연료전지시스템의 외부에 위치시킨 1개 또는 복수개의 수소탱크에서 수소를 저장하고, 복수개의 연료전지시스템이 운전을 요청하면 스텍부에 수소를 즉시 공급하여 즉시 발전이 가능하게 하여 연료(도시가스 등)를 개질하는데 필요한 웜-업 시간이 불필요하여, 정격출력까지 짧은 시간(3분 이내)에 도달할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 연료전지시스템이 발전 시작을 선택하면 수소저장탱크에 저장되어 있는 수소를 스텍부로 공급하여 즉시 발전하는 것과 동시에 연료(도시가스 등)를 개질하여 완전 조성 개질가스(수소)가 배출하면 수소저장탱크의 저장된 수소를 사용하지 않고, 개질기에서 조성된 개질가스를 사용하여 발전을 하므로 수소저장탱크의 크기(용량)을 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 수소저장탱크를 저압용과 고압용으로 구분하여 저장하여, 저압수소저장탱크는 1대 이상으로 설치하여(2대 이상이 바람직함) 개폐밸브를 설치 제어하여 압축기로 고압수소저장탱크에 이동시킬 때 발생하는 압축기의 흡입압력에 따른 압력변동 없이 저장함으로 연료전지시스템의 개질기의 손상을 방지하였으며, 압축기로 압축하여 고압수소저장탱크에 수소를 저장함으로 수소저장탱크의 크기(용량)을 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 1대 이상의 연료전지시스템 케이스내부에 연료전지시스템 발전에 필수적인 구성품 외에는 연료전지시스템 주변에 유량계B, 개질가스(수소)압축기, 저압, 고압수소저장탱크, 정압조절밸브를 구성함으로써 연료전지시스템의 외형 크기는 작아지고 제조원가는 절감할 수 있다.

또한 본 발명은 연료전지시스템의 외부 주변에 개질가스(수소)압축기, 수소저장탱크를 구비함으로 연료전지시스템 전체크기가 작어지어 여러 대를 설치하는 경우에도 설치 면적이 줄어든다.

또한 본 발명은 연료전지시스템 케이스내부에는 연료전지시스템 발전에 필수적인 구성과 본 발명품을 적용하는데 필요한 밸브(밸브-3,밸브-4)와 수소저장탱크로 연결 통로만을 케이스말단에서 마감하여 일반적인 사용하고, 소비자의 선택에 따라 연료전지시스템 주변에 유량계B, 개질가스(수소)압축기, 수소저장탱크, 정압조절밸브를 별도로 구성함으로써 소비자의 욕구를 편리하게 반영할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 연료전지시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지시스템의 즉시운전 장치의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지시스템의 즉시운전 방법을 보인 흐름도이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 연료전지시스템의 즉시운전 장치 및 그 방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.

먼저 본 발명은 연료전지시스템의 외부에 위치시킨 1개 이상의 저압, 고압수소탱크에서 복수개의 연료전지시스템의 스텍부에 수소를 공급하여 즉시 발전이 가능하게 하여 연료(도시가스 등)를 개질하는데 필요한 웜-업 시간이 불필요하여, 정격출력까지 즉시 도달하게 하고자 한 것이다.

본 발명의 연료전지시스템(100)은 복수개로 이루어지며, 이하에서 설명하는 연료전지시스템(100)의 내부 구성은 복수개 모두 동일하게 이루어진다.

개질부(110)는 복수개로 이루어진 연료전지시스템(100)의 케이스 내부에 위치하여 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지시스템(100)으로 연료를 수소로 개질한다.

스텍부(120)는 개질부(110)에서 개질된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산한다.

공기공급장치(116)는 개질부(110)의 개질 과정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 산소를 개질부(110)에 공급하고 스텍부(120)에서 필요한 산소를 공급한다.

배기공급장치(118)는 개질부(110)에서 발생한 가스를 외기로 배기한다.

인버터(130)는 연료전지시스템(100)의 스텍부(120)에서 생산된 전력을 교류로 변환한다.

물탱크(140)는 개질부(110)의 수증기 개질반응과정에 공급하는 물과 스텍부(120)의 온도를 일정 온도로 유지시키는 냉각수를 저장한다.

제어부는 연료전지시스템(100)의 기동, 정지, 발전상태 유지 동작, 제어기능을 수행한다.

또한 제어부는 연료전지시스템(100)의 발전 시작과 정지에 따라 스텍부(120)의 발전, 전력변환장치인 인버터(130)의 정지 및 연료전지시스템(100)의 발전 정지 후에도 저압 및 고압수소탱크(200, 300)에 저장된 수소 잔여량을 판단하여 개질부(110)를 운전하여 생산된 수소를 저압 및 고압수소탱크(200, 300)에 저장할 수 있도록 제1 내지 제13 밸브(V/V-1 ~ V/V-13)를 개폐하고, 1차로 저압수소탱크(200)의 수소저장용량이 설정용량 및 설정압력(개질부의 압력과 동일) 일 때까지 저장하고, 압축기(220)를 운전하여 설정용량에 도달하면 개질부(110)의 운전 정지 및 제1 내지 제13 밸브(V/V-1 ~ V/V-13)의 닫힘을 제어하고, 연료전지시스템(100)이 즉시운전 모드일 때 저압수소탱크(200)에 저장된 수소가 스텍부(120)로 즉시 공급될 수 있도록 제1 내지 제13 밸브(V/V-1 ~ V/V-13)의 개폐 제어를 수행하며, 개질부(110)의 완전 조성 개질가스(수소)가 생산되면 저압수소탱크(200)의 수소를 차단하는 밸브를 제어한다.

한편 복수개로 이루어진 연료전지 시스템(100)의 케이스 내부에는 다음과 같이 이루어진다.

즉, 개질부(110)에 도시가스와 같은 연료를 유량계A(112)를 통과해 공급하는 연료밸브(114), 개질부(110)에서의 불완전 조성가스를 배출하는 솔레노이드 제1 밸브(V-V/1), 개질부(110)와 스텍부(120)를 연결하는 통로에 위치하여 저압 및 고압수소탱크(200, 300) 쪽으로 연결 통로를 우회 할 수 있도록 하는 우회분기관(119), 우회분기관(119)의 사이에 구비된 제2 밸브(V/V-2), 개질된 가스(수소)를 스텍부(120)에 공급하여 산소와의 반응으로 발전시킨 후 잉여가스(수소)를 회수하는 통로에 설치된 제3 밸브(V/V-3), 스텍부(120)에 개질가스(수소)를 공급하는 통로와 스텍에서 발전 후 생긴 잉여가스(수소)를 회수하는 통로를 연결하는 사이에 설치된 제4 밸브(V/V-4), 공기공급장치(116)의 공기를 스텍부(120)로 공급하는 제12 밸브(V/V-9), 물탱크(140)의 냉각수가 스텍부(120)로 공급되도록 하는 펌프(P-1)를 구비한다.

또한 연료전지시스템(100)의 케이스 외부에는 다음과 같이 이루어진다.

즉, 개질가스(수소)를 스텍부(120)로 연결하는 통로에서 우회분기관(119)이 개질가스(수소)를 우회하여 저장하는 저압수소탱크(200)로 공급하는 연결부에는 설치된 제5 밸브(V/V-5), 개질가스(수소)를 공급 연결부하는 2대의 저압수소탱크(200) 전단에 설치된 제6 밸브 내지 제7 밸브(V/V6 ~ V/V-7), 2대의 저압수소탱크(200)와 고압수소탱크(300)의 연결부에 설치된 제8 밸브 내지 제9 밸브(V/V-8 ~ V/V-9), 연료전지시스템(100)에서 개질된 수소를 우회하여 저압수소탱크(200)에서 저압의 개질된 수소를 고압수소탱크(300)의 고압으로 저장하는 압축기, 연료전지시스템(100)에서 개질된 수소를 우회하여 저장하는 저압 및 고압수소탱크(200, 300)의 저장량을 측정하는 압력계(도면상에 미도시), 고압수소탱크(300)에서 압축하여 저장하였던 수소를 연료전지시스템(100) 내부의 스텍부(120)에 공급하는 연결 통로 및 통로를 개폐를 제어하는 제10 내지 제11 밸브(V/V-10 ~ V/V-11), 고압수소탱크(300)에서 압축된 수소의 압력을 조절하여 연료전지시스템(100)의 스텍부(120)에 필요한 압력으로 조정하는 정압조절밸브(230)를 포함하여 구성한다.

한편 수소를 저장하는 고압수소탱크(300)의 크기 및 설정 압력 결정은 전체 설치하는 연료전지시스템(100)의 연료소비량 또는 수소소비량과 제품의 웜-업 시간(warm-up time)을 고려하여 결정한다.

통상적인 웜-업 시간은 1 ~ 3시간이다.

예를 들어, 연료전지 제품을 설치할 때 70.0KW, 고압수소탱크(300)의 설정압력은 25Kg/c㎡ 이라고 가정하자.

그러면 수소소비량은 다음과 같이 계산된다.

* 수소소비량 : 0.75Nm³/Kwh x 70Kw = 52.5Nm³/hr * 웜-업시간 : 1시간

이때 고압수소탱크(300)의 용량은 다음과 같은 계산된다.

* 탱크의 용량(V) = P' x V' / P / 1.0332 x 예비율(120%)

= 1 x 52.5 / 25 / 1.0332 x 120%

= 3.387534㎥ x 120% x 웜-업시간

= 2.44㎥ x 1시간

= 2.44㎥ 적용

제1 단계(ST1~ ST5)에서는 상기 연료전지시스템(100)의 운전을 시작하면 유입되는 연료(ex, 도시가스 등)에 대한 개질부(110)에서 개질 반응이 시작되면, 제1 밸브(V/V-1)를 개방하여 상기 개질부(110)에 의해 생성된 불완전 조성 개질 가스를 배출하는 단계와 상기 개질부(110)에서 불완전 조성 개질 가스의 배출 이후 완전 조성 개질 가스가 배출한다.

제2 단계(ST6 ~ ST12)에서는 상기 연료전지시스템(100)의 운전을 시작하면 제1 단계 웜-업시간(ex, 1~3시간) 동안 즉시 발전을 위하여, 상기 스텍부(120)로 상기 물탱크(140)의 냉각수를 공급하도록 하는 펌프(P-1)는 기동하고, 스텍부(120)로 상기 공기공급장치(116)의 공기를 스텍부(120)로 공급하는 제12 밸브(V/V-12)는 개방하며, 스텍부(120)와 저압수소탱크(200)에 연결하는 통로에 설치된 제5 밸브(V/V-5)와 제6 내지 제7 밸브(V/V-6 ~ V/V-7)는 개방하고, 상기 스텍부(120)의 발전 잉여 수소를 바이패스 시키는 통로의 제4 밸브(V/V-4)는 개방하여, 상기 저압수소탱크(200)에 저장된 수소를 공급하여, 발전된 DC 전력을 전력변환장치인 인버터(130)로 AC전력으로 변환하여 즉시 발전 할 수 있도록 한다.

제3 단계(ST16 ~ ST19)에서는 상기 제2 단계에서 저압수소탱크(200)에 저장된 수소를 스텍부(120)로 공급하여 저압수소탱크의 압력이 운전압력범위(ex, 통상 1~3bar)이하 이면, 상기 고압수소탱크(300)에 저장된 개질 수소를 제10 내지 제11 밸브(V/V-10 ~ V/V-11)와 정압조정밸브(230)를 개방하여, 상기 고압수소탱크(300)에 저장된 개질 수소의 압력을 상기 스텍부(120)의 운전압력범위(ex, 통상 1~3bar)로 조정하여 상기 스텍부(120)로 공급하여 발전하며, 상기 고압수소탱크(300)에 저장된 수소를 상기 개질부(110)에서 완전 조성 개질 가스 배출 웜-업시간(ex, 1~3시간) 동안 발전을 할 수 있도록 한다.

제4 단계(ST6 ~ ST12)에서는 상기 연료전지시스템(100)의 유입되는 연료에 대한 개질 반응이 시작되어 생성된 불완전 조성 개질 가스를 웜-업시간(ex, 1~3시간) 동안 배출 이후 완전 조성 개질 가스가 배출되면, 저압 및 고압수소탱크(200, 300)과 스텍부를 연결하는 통로에 부착된 제5 밸브 내지 제11 밸브(V/V-5 ~ V/V-11)와 제4 밸브(V/V-4)는 닫고, 제2 밸브(V/V-2)와 제3 밸브(V/V-3)는 개방하여 상기 개질부(110)에 의해 생성된 완전 조성 개질 가스를 상기 연료전지시스템(100)의 스텍부(120)로 전달하여 정상적(정격출력)으로 발전한다.

제5 단계(ST20 ~ ST24)에서는 상기 연료전지시스템(100)을 정지하면 전력변환장치인 인버터(130), 스텍부(120)로 상기 물탱크(140)의 냉각수를 공급하도록 하는 펌프(P-1)는 정지하고, 스텍부(120)로 상기 공기공급장치(116)의 공기를 스텍부(120)로 공급하는 제12 밸브(V/V-12)는 닫고, 고압수소탱크(300)와 스텍부(120)의 연결하는 통로에 설치된 제10 내지 제11 밸브(V/V-10 ~ V/V-11)를 닫아 스텍부(120)의 발전을 정지하고, 개질부(110)와 저압수소탱크(200)에 연결하는 통로에 설치된 제5 내지 제7 밸브(V/V-5 ~ V/V-7)는 개방하고 연료가스는 계속하여 상기 개질부(110)에 공급하여 개질가스(수소)를 생산하여 상기 저압수소탱크(200)에 차례로 저장한다.

제6 단계(ST25 ~ ST28)에서는 상기 제5 단계 후 상기 저압수소탱크(200) 1대에 부착된 압력이 설정압력이 되면 상기 저압수소탱크(200)와 상기 고압수소탱크(300)를 연결하는 전단에 설치된 압축기(220)를 기동하여 상기 고압수소탱크(300)에 수소를 저장을 시작하며, 이때 2대의 저압수소탱크(200)는 설정압력에 따라 제6 밸브(V/V-6)와 제7 밸브는 교번으로 개폐하며, 또한 제8 밸브(V/V-8)와 제9 밸브(V/V-9)는 교번으로 개폐하여 고압수소탱크(300)에 저장하며, 고압수소탱크(300)의 설정된 압력이 되면 상기 압축기(220)의 기동은 중지되며, 또한 연료(ex, 도시가스 등)의 공급도 중지되며 모든 밸브류는 닫아 상기 연료전지시스템(100)을 초기화시킨다.

이처럼 본 발명은 연료전지시스템의 외부에 위치시킨 1개 이상의 수소탱크에서 복수개의 연료전지시스템의 연료전지스텍에 수소를 공급하여 즉시 발전이 가능하게 하여 연료(도시가스 등)를 개질하는데 필요한 웜-업 시간이 불필요하여, 정격출력까지 즉시 도달하게 된다.

이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 연료전지시스템
110 : 개질부
112 : 유량계 A
114 : 연료밸브
116 : 공기공급장치
118 : 배기공급장치
119 : 우회분기관
120 : 스텍부
130 : 인버터
140 : 물탱크
142 : 보급수밸브
200 : 저압 수소탱크
210 : 유량계 B
220 : 압축기
230 : 정압조절밸브
300: 고압 수소탱크
V/V-1 ~ V/V-9 : 제1 내지 제9 밸브
P-1 : 펌프

Claims

복수개로 이루어진 연료전지시스템(100)의 케이스 내부에 위치하여 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지시스템(100)으로 연료를 수소로 개질하는 개질부(110)와; 상기 개질부(110)에서 개질된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 스텍부(120)와; 상기 개질부(110)의 개질 과정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 산소를 상기 개질부(110)에 공급하고 상기 스텍부(120)에서 필요한 산소를 공급하는 공기공급장치(116)와; 상기 개질부(110)에서 발생한 가스를 외기로 배기하는 배기공급장치(118)와; 상기 연료전지시스템(100)의 스텍부(120)에서 생산된 전력을 교류로 변환하는 인버터(130)와; 상기 개질부(110)의 수증기 개질반응과정에 공급하는 물과 상기 스텍부(120)의 온도를 일정 온도로 유지시키는 냉각수를 저장하는 물탱크(140)와; 상기 연료전지시스템(100)의 기동, 정지, 발전상태 유지 동작, 제어기능을 수행하는 제어부 및 주변장치;를 포함하여 구성되되,
상기 연료전지시스템(100)의 외부에 위치시킨 저압수소탱크(200) 및 고압수소탱크(300)를 구비하고, 상기 저압수소탱크(200)에서 저장된 개질가스를 고압수소탱크(300)에 저장하는 압축기(220)를 구비하며, 상기 저압수소탱크(200)와 상기 고압수소탱크(300)에 개폐밸브를 설치 제어하고,
상기 연료전지시스템의 즉시운전 장치는, 복수개로 이루어진 상기 연료전지 시스템(100)의 케이스 내부에는 상기 개질부(110)에 도시가스와 같은 연료를 유량계A(112)를 통과해 공급하는 연료밸브(114), 상기 개질부(110)에서의 불완전 조성가스를 배출하는 솔레노이드 제1 밸브(V/V-1), 상기 개질부(110)와 스텍부(120)를 연결하는 통로에 위치하여 저압수소탱크(200) 쪽으로 연결 통로를 우회 할 수 있도록 하는 우회분기관(119), 상기 우회분기관(119)의 사이에 구비된 제2 밸브(V/V-2), 개질된 가스(수소)를 스텍부(120)에 공급하여 산소와의 반응으로 발전시킨 후 잉여가스(수소)를 회수하는 통로에 설치된 제3 밸브(V/V-3), 상기 스텍부(120)에 개질가스(수소)를 공급하는 통로와 스텍에서 발전 후 생긴 잉여가스(수소)를 회수하는 통로를 연결하는 사이에 설치된 제4 밸브(V/V-4), 상기 공기공급장치(116)의 공기를 상기 스텍부(120)로 공급하는 제9 밸브(V/V-9), 상기 물탱크(140)의 냉각수가 상기 스텍부(120)로 공급되도록 하는 펌프(P-1)를 구비하며,
상기 연료전지시스템(100)의 케이스 외부에는 개질가스(수소)를 스텍부(120)로 연결하는 통로에서 우회분기관(119)이 개질가스(수소)를 저장하는 저압수소탱크(200)로 공급하는 연결부에 설치된 제5 내지 제7 밸브(V/V-5 ~ V/V-7), 상기 저압수소탱크(200)에서 고압수소탱크(300)로 개질가스를 이동시키는 연결부에 설치된 제8 밸브 및 제9 밸브(V/V-8, V/V-9), 상기 저압수소탱크(200)에서 저장된 개질가스를 고압수소탱크(300)에 저장하는 압축기(220), 상기 저압 및 고압수소탱크(200, 300)의 저장량을 측정하는 압력계, 상기 고압수소탱크(300)에서 압축하여 저장한 수소를 상기 연료전지시스템(100) 내부의 상기 스텍부(120)에 공급하는 연결 통로 및 통로를 개폐를 제어하는 제10 밸브(V/V-10), 저장된 개질가스를 스텍부(120)로 공급하는 연결부에 설치된 제11 밸브(V/V-11), 상기 고압수소탱크(300)에서 압축된 수소의 압력을 조정하여 상기 연료전지시스템(100)의 스텍부(120)에 필요한 압력으로 조정하는 정압조정밸브(230)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 즉시운전 장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 연료전지시스템(100)의 발전 시작과 정지에 따라 상기 스텍부(120)의 발전, 전력변환장치인 상기 인버터(130)의 정지 및 상기 연료전지시스템(100)의 발전 정지 후에도 상기 저압수소탱크(200)와 고압수소탱크(300)에 저장된 수소 잔여량을 상기 저압 및 고압수소탱크(200, 300)의 압력으로 판단하여 상기 개질부(110)를 운전하여 생산된 수소를 상기 저압수소탱크(200)에 저장할 수 있도록 제1 내지 제13 밸브(V/V-1 ~ V/V-13)를 개폐하고, 상기 저압수소탱크(200)의 수소저장용량이 설정압력 일 때 상기 저압수소탱크(200)에서 상기 고압수소탱크(300)의 연결된 압축기(220)를 운전하며 제6 내지 제7 밸브(V/V-6 ~ V/V-7)의 개폐를 교번하며, 저압수소탱크(200)에서 고압수소탱크(300)의 연결된 제8 내지 제9밸브(V/V-8 ~ V/V-9) 또한 저압수소탱크(200)의 압력에 따라 개폐를 교번하여 고압수소탱크(300)의 설정압력에 도달하면, 상기 개질부(110)의 운전 정지 및 제1 내지 제13 밸브(V/V-1 ~ V/V-13)의 닫힘을 제어하고, 상기 연료전지시스템(100)이 즉시운전 모드일 때 상기 저압수소탱크(200)와 상기 고압수소탱크(300)에 저장된 수소가 스텍부(120)로 즉시 공급될 수 있도록 제1 내지 제13 밸브(V/V-1 ~ V/V-13)의 개폐 제어를 수행하며, 상기 개질부(110)의 완전 조성 개질가스(수소)가 생산되면 상기 저압 및 고압수소탱크(200, 300)의 수소를 차단하는 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 즉시운전 장치.
연료전지시스템(100)의 운전을 시작하여 유입되는 연료에 대한 개질부(110)에서 개질 반응이 시작되면, 제1 밸브(V/V-1)를 개방하여 상기 개질부(110)에 의해 생성된 불완전 조성 개질 가스를 배출하는 단계와 상기 개질부(110)에서 불완전 조성 개질 가스의 배출 이후 완전 조성 개질 가스가 배출하는 제1 단계(ST1~ST12)와;
상기 연료전지시스템(100)의 운전을 시작하면 제1 단계 웜-업시간 동안 즉시 발전을 위하여, 스텍부(120)로 물탱크(140)의 냉각수를 공급하도록 하는 펌프(P-1)는 기동하고, 공기공급장치(116)의 공기를 스텍부(120)로 공급하는 제12 밸브(V/V-12)는 개방하며, 스텍부(120)와 저압수소탱크(200)에 연결하는 통로에 설치된 제5 밸브(V/V-5)와 제6 내지 제7 밸브(V/V-6 ~ V/V-7)는 개방하고, 상기 스텍부(120)의 발전 잉여 수소를 바이패스 시키는 통로의 제4 밸브(V/V-4)는 개방하여, 상기 저압수소탱크(200)에 저장된 수소를 공급하여, 발전된 DC 전력을 전력변환장치인 인버터(130)로 AC전력으로 변환하여 즉시 발전 할 수 있도록 하는 제2 단계(ST13 ~ ST15)와;
상기 제2 단계에서 저압수소탱크(200)에 저장된 수소를 스텍부(120)로 공급하여 저압수소탱크의 압력이 운전압력범위 이하 이면, 고압수소탱크(300)에 저장된 개질 수소를 제10 및 제11 밸브(V/V-10 ~ V/V-11)와 정압조정밸브(230)를 개방하여, 상기 고압수소탱크(300)에 저장된 개질 수소의 압력을 상기 스텍부(120)의 운전압력범위로 조정하여 상기 스텍부(120)로 공급하여 발전하며, 상기 고압수소탱크(300)에 저장된 수소를 상기 개질부(110)에서 완전 조성 개질 가스 배출 웜-업시간 동안 발전을 할 수 있도록 하는 제3 단계(ST16 ~ ST19)와;
상기 연료전지시스템(100)의 유입되는 연료에 대한 개질 반응이 시작되어 생성된 불완전 조성 개질 가스를 웜-업시간 동안 배출 이후 완전 조성 개질 가스가 배출되면, 상기 저압 및 고압수소탱크(200, 300)와 상기 스텍부(120)를 연결하는 통로에 부착된 제5 밸브 내지 제11 밸브(V/V-5 ~ V/V-11)와 제4 밸브(V/V-4)는 닫고, 제2 밸브(V/V-2)와 제3 밸브(V/V-3)는 개방하여 상기 개질부(110)에 의해 생성된 완전 조성 개질 가스를 상기 연료전지시스템(100)의 스텍부(120)로 전달하여 정상적(정격출력)으로 발전하는 제4 단계(ST6 ~ ST12)와;
상기 연료전지시스템(100)을 정지하면 전력변환장치인 인버터(130), 스텍부(120)로 상기 물탱크(140)의 냉각수를 공급하도록 하는 펌프(P-1)는 정지하고, 스텍부(120)로 상기 공기공급장치(116)의 공기를 스텍부(120)로 공급하는 제12 밸브(V/V-12)는 닫고, 고압수소탱크(300)와 스텍부(120)의 연결하는 통로에 설치된 제10 및 제11 밸브(V/V-10, V/V-11)를 닫아 스텍부(120)의 발전을 정지하고, 상기 개질부(110)와 상기 저압수소탱크(200)에 연결하는 통로에 설치된 제5 내지 제7 밸브(V/V-5 ~ V/V-7)는 개방하고 연료가스는 계속하여 상기 개질부(110)에 공급하여 개질가스(수소)를 생산하여 상기 저압수소탱크(200)에 차례로 저장하는 제5 단계(ST20 ~ ST24)와;
상기 제5 단계 후 상기 저압수소탱크(200) 1대에 부착된 압력이 설정압력이 되면 상기 저압수소탱크(200)와 상기 고압수소탱크(300)를 연결하는 전단에 설치된 압축기(220)를 기동하여 상기 고압수소탱크(300)에 수소를 저장하기 시작하며, 이때 2대의 저압수소탱크(200)는 설정압력에 따라 제6 밸브(V/V-6)와 제7 밸브는 교번으로 개폐하며, 또한 제8 밸브(V/V-8)와 제9 밸브(V/V-9)는 교번으로 개폐하여 고압수소탱크(300)에 저장하며, 고압수소탱크(300)의 설정된 압력이 되면 상기 압축기(220)의 기동은 중지되며, 또한 연료의 공급도 중지되며 모든 밸브류는 닫아 상기 연료전지시스템(100)을 초기화시키는 제6 단계(ST25 ~ ST28);
를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 즉시운전 방법.
연료전지시스템(100)의 운전을 시작하여 제13 밸브(V/V-13)개방하여 유입되는 연료에 대한 개질부(110)에서 개질 반응이 시작되면, 제1 밸브(V/V-1)를 개방하여 상기 개질부(110)에 의해 생성된 불완전 조성 개질 가스를 배출하는 제1 단계(ST1~ ST5)와;
상기 개질부(110)에서 불완전 조성 개질 가스의 배출 이후 완전 조성 개질 가스가 배출되면, 상기 제1 밸브(V/V-1)를 닫고, 제2 밸브(V/V-2)와 제3 밸브(V/V-3)를 개방하여 상기 개질부(110)에 의해 생성된 완전 조성 개질 가스를 상기 연료전지시스템(100)의 스텍부(120)로 전달하여 정상적(정격출력)으로 발전하는 제2 단계(ST6 ~ ST12)와;
상기 연료전지시스템(100)을 정지하면 전력변환장치인 인버터(130), 스텍부(120)로 물탱크(140)의 냉각수를 공급하도록 하는 펌프(P-1)는 정지하고, 공기공급장치(116)의 공기를 스텍부(120)로 공급하는 제12 밸브(V/V-12)는 닫고, 고압수소탱크(300)와 스텍부(120)의 연결하는 통로에 설치된 제10 밸브(V/V-10)와 제11 밸브(V/V-11)를 닫아 스텍부(120)의 발전을 정지하고, 개질부(110)와 저압수소탱크(200)에 연결하는 통로에 설치된 제5 내지 제7 밸브(V/V-5 ~ V/V-7)는 개방하고 연료가스는 계속하여 상기 개질부(110)에 공급하여 개질가스(수소)를 생산하여 상기 저압수소탱크(200)에 차례로 저장하는 제3 단계(ST20 ~ ST24)와;
상기 제3 단계 후 상기 저압수소탱크(200) 1대에 부착된 압력이 설정압력이 되면 상기 저압수소탱크(200)와 상기 고압수소탱크(300)를 연결하는 전단에 설치된 압축기(220)를 기동하여 상기 고압수소탱크(300)에 수소를 저장하기 시작하며, 이때 2대의 저압수소탱크(200)는 설정압력에 따라 제6 밸브(V/V-6)와 제7 밸브는 교번으로 개폐하며, 또한 제8 밸브(V/V-8)와 제9 밸브(V/V-9)는 교번으로 개폐하여 고압수소탱크(300)에 저장하며, 고압수소탱크(300)의 설정된 압력이 되면 상기 압축기(220)의 기동은 중지되며, 또한 연료의 공급도 중지되며 모든 밸브류는 닫아 상기 연료전지시스템(100)을 초기화시키는 제4 단계(ST25 ~ ST28);
를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 즉시운전 방법.